CN111830007B - 一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法，该方法包括：在相同条件下，对待测氮化镓材料和标准氮化镓材料分别进行拉曼光谱测试，以获取待测氮化镓材料的拉曼强度和标准氮化镓材料的拉曼强度；根据待测氮化镓材料的拉曼强度、标准氮化镓材料的拉曼强度以及拉曼强度和氮化镓材料的镓空位浓度的正相关关系，计算出待测氮化镓材料的镓空位浓度。本发明还公开了一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的系统。本发明解决了现有技术中存在的氮化镓材料的镓空位浓度的测量时间较长，测量成本较高的问题。

Description

一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法及系统
技术领域
本发明涉及半导体材料的质量评估技术领域，尤其涉及一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法及系统。
背景技术
氮化镓(GaN)材料具有着直接带隙、禁带宽度宽、较好的化学稳定性、较高的击穿电场、较高的饱和电子速度和较好的耐热性等优势，成为了制作耐高温、耐高压、高频、高功率、抗辐射的微电子器件和短波长、大功率光电子器件的理想材料。
但是，氮化镓材料中普遍存在的镓空位(氮化镓材料中在镓原子格点上缺失镓原子而形成的空格点)是氮化镓材料的主要缺陷之一。镓空位在富N(氮) 的生长环境中非常容易产生，并与O(氧)等其他杂质相结合，对氮化镓材料的电学、光学特性产生较严重的负面影响。
为了评价氮化镓材料的质量，目前所采用的测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法是，正电子湮没测试或者热膨胀测试。然而，进行正电子湮没测试或者热膨胀测试时所需要的设备要求高且价格昂贵、耗时较长，所以在测量数量较多的氮化镓材料时，会产生较多的时间需求和费用。因此，现有的氮化镓材料的镓空位浓度的测量方法不适用于测量批次较多的情况。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明采用了如下的技术方案：
在本发明的一方面提供了一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法，所述方法包括：
在相同条件下，对待测氮化镓材料和标准氮化镓材料分别进行拉曼光谱测试，以获取所述待测氮化镓材料的拉曼强度和所述标准氮化镓材料的拉曼强度；
根据所述待测氮化镓材料的拉曼强度、所述标准氮化镓材料的拉曼强度以及拉曼强度和氮化镓材料的镓空位浓度的正相关关系，计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度。
优选地，所述待测氮化镓材料的拉曼强度包括：所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度；
所述标准氮化镓材料的拉曼强度包括：所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度。
优选地，所述待测氮化镓材料的拉曼强度还包括：所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度；
所述标准氮化镓材料的拉曼强度还包括：所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度。
优选地，根据所述待测氮化镓材料的拉曼强度、所述标准氮化镓材料的拉曼强度以及拉曼强度和氮化镓材料的镓空位浓度的正相关关系，计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度，包括：
利用下面的式子计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度，
Ny/Nc＝PyEc/PcEy，
其中，Ny表示所述标准氮化镓材料的镓空位浓度，Nc表示所述待测氮化镓材料的镓空位浓度，Py表示所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为 650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度，Pc表示所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度，Ey表示所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度，Ec表示所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度。
在本发明的另一方面提供了一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的系统，所述系统包括：
拉曼光谱仪，用于在相同条件下对待测氮化镓材料和标准氮化镓材料分别进行拉曼光谱测试，以获取所述待测氮化镓材料的拉曼强度和所述标准氮化镓材料的拉曼强度；
计算装置，用于根据所述待测氮化镓材料的拉曼强度、所述标准氮化镓材料的拉曼强度以及拉曼强度和氮化镓材料的镓空位浓度的正相关关系，计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度。
优选地，所述待测氮化镓材料的拉曼强度包括：所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度；
所述标准氮化镓材料的拉曼强度包括：所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度。
优选地，所述待测氮化镓材料的拉曼强度还包括：所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度；
所述标准氮化镓材料的拉曼强度还包括：所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度。
优选地，所述计算装置进一步用于利用下面的式子计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度，
Ny/Nc＝PyEc/PcEy，
其中，Ny表示所述标准氮化镓材料的镓空位浓度，Nc表示所述待测氮化镓材料的镓空位浓度，Py表示所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为 650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度，Pc表示所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度，Ey表示所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度，Ec表示所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度。
采用本发明的测量方法时，除了作为参照物的标准氮化镓材料的镓空位浓度之外，剩余的待测氮化镓材料的镓空位浓度均可以结合拉曼测试和本申请提供的公式来获得，从而简化了测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法，降低了测量时间和成本。
附图说明
图1为本发明实施例的镓空位浓度的测量方法的流程图；
图2为本发明实施例的具有镓空位的氮化镓材料的拉曼光谱图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例1
本实施例提供了一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法，所述方法包括：
在相同条件下，对待测氮化镓材料和标准氮化镓材料分别进行拉曼光谱测试，以获取所述待测氮化镓材料的拉曼强度和所述标准氮化镓材料的拉曼强度；
根据所述待测氮化镓材料的拉曼强度、所述标准氮化镓材料的拉曼强度以及拉曼强度和氮化镓材料的镓空位浓度的正相关关系，计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度。
要说明的是，上述的“相同条件”是指：所述标准氮化镓材料和所述待测氮化镓材料在拉曼测试时的晶面取向、散射模式、以及测试环境和其他物理参数和状态均相同。
上述的测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法基于申请人对氮化镓材料的拉曼光谱的研究而获得的结果。如图1所示(图中横轴为拉曼位移量，纵轴为拉曼强度)，申请人对氮化镓材料进行拉曼测试时发现，当氮化镓材料具有镓空位时，该氮化镓材料的拉曼光谱中的拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间会出现振动峰(如图1中曲线B所示)，而当氮化镓材料不具有镓空位时，该氮化镓材料的拉曼光谱中的拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间不会出现振动峰(如图1中曲线A所示)；
而且，如图2所示(图中横轴为拉曼位移量，纵轴为拉曼强度)，当氮化镓材料的拉曼光谱中的拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间出现振动峰时，该振动峰的峰值与该氮化镓材料所具有的镓空位浓度呈正比关系，也就是说，氮化镓材料的镓空位浓度越高(图2中箭头的方向意味着不同测试批次的氮化镓材料的镓空位浓度逐渐降低)，该氮化镓材料的拉曼光谱中的拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间出的振动峰的峰值越强。
基于上述内容可以确认，标准氮化镓材料的镓空位浓度已知的情况下，只需确认所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为 680cm-1之间的最大拉曼强度和待测氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为 650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度就可以计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度。
为了较好地抵消掉由于激光强度、曝光时长等环境对拉曼强度峰值的绝对值所带来的影响，本实施例中将氮化镓材料的拉曼光谱中代表着氮化镓晶体中两个N原子之间的相对振动模式，而且也作为氮化镓材料的拉曼光谱中最大拉曼强度的E2(high)峰为标准，对所有的拉曼光谱进行归一化处理，从而比较其他峰型的相对强弱。
比较不同组的拉曼光谱的Pn峰值(拉曼光谱的某拉曼位移处的拉曼峰值， n＝拉曼位移值)时，首先分别获得不同组的拉曼光谱的Pn与E2(high)的比值 Pn/E2(high)，然后应用这一比值来进行不同组的拉曼光谱之间Pn峰值的比较。
因此，分别得到标准氮化镓材料的拉曼光谱的拉曼位移650cm-1至680cm-1区间的最高拉曼强度峰值与最高拉曼强度峰值的比值和待测氮化镓材料的拉曼光谱的拉曼位移650cm-1至680cm-1区间的最高拉曼强度峰值与最高拉曼强度峰值的比值后，在已知标准氮化镓材料的镓空位浓度的情况下可以导出公式Ny/ Nc＝Iy/Ic，从而可以计算出待测氮化镓材料的镓空位浓度。
其中，Ny表示标准氮化镓材料的镓空位浓度；
Iy表示标准氮化镓材料的拉曼光谱的拉曼位移650cm-1至680cm-1区间的最高拉曼强度峰值与最高拉曼强度峰值的比值；
Nc表示待测氮化镓材料的镓空位浓度；
Ic表示待测氮化镓材料的拉曼光谱的拉曼位移650cm-1至680cm-1区间的最高拉曼强度峰值与最高拉曼强度峰值的比值。
进一步地，将所述标准氮化镓材料的拉曼光谱的拉曼位移650cm-1至680cm-1区间的最高拉曼强度峰值表示为Py，所述标准氮化镓材料的最高拉曼强度峰值表示为Ey(即标准氮化镓材料的E2(high)＝Ey)，所述待测氮化镓材料的拉曼光谱的拉曼位移650cm-1至680cm-1区间的最高拉曼强度峰值表示为Pc，所述待测氮化镓材料的最高拉曼强度峰值表示为Ec(即待测氮化镓材料的E2(high) ＝Ec)时，就可以代入得出上述公式Ny/Nc＝PyEc/PcEy
要说明的是，获得所述标准氮化镓材料的镓空位浓度的途径可以是任意的；也就是说，所述标准氮化镓材料可以直接采用已知其镓空位浓度的氮化镓材料，或者通过现有的测量手段测出某一氮化镓材料样品来做所述标准氮化镓材料。
综上，采用上述的测量方法时，除了作为参照物的标准氮化镓材料的镓空位浓度之外，剩余的待测氮化镓材料的镓空位浓度均可以结合拉曼测试和本实施例提供的公式来获得，从而简化了测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法，降低了测量时间和成本。
实施例2
本实施例提供了一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的系统，该系统包括：拉曼光谱仪和计算装置。
所述拉曼光谱仪，用于在相同条件下对待测氮化镓材料和标准氮化镓材料分别进行拉曼光谱测试，以获取所述待测氮化镓材料的拉曼强度和所述标准氮化镓材料的拉曼强度；
所述计算装置，用于根据所述待测氮化镓材料的拉曼强度、所述标准氮化镓材料的拉曼强度以及拉曼强度和氮化镓材料的镓空位浓度的正相关关系，计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度。
其中，所述计算装置利用实施例1所提供的计算公式来算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (2)

1.一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的方法，其特征在于，所述方法包括：
在相同条件下，对待测氮化镓材料和标准氮化镓材料分别进行拉曼光谱测试，以获取所述待测氮化镓材料的拉曼强度和所述标准氮化镓材料的拉曼强度；
根据所述待测氮化镓材料的拉曼强度、所述标准氮化镓材料的拉曼强度以及拉曼强度和氮化镓材料的镓空位浓度的正相关关系，计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度；
其中，所述待测氮化镓材料的拉曼强度包括：所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度；
所述标准氮化镓材料的拉曼强度包括：所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度；
其中，所述待测氮化镓材料的拉曼强度还包括：所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度；
所述标准氮化镓材料的拉曼强度还包括：所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度；
其中，根据所述待测氮化镓材料的拉曼强度、所述标准氮化镓材料的拉曼强度以及拉曼强度和氮化镓材料的镓空位浓度的正相关关系，计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度，包括：
利用下面的式子计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度，
Ny/Nc＝PyEc/PcEy，
其中，Ny表示所述标准氮化镓材料的镓空位浓度，Nc表示所述待测氮化镓材料的镓空位浓度，Py表示所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度，Pc表示所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度，Ey表示所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度，Ec表示所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度。
2.一种测量氮化镓材料的镓空位浓度的系统，其特征在于，所述系统包括：
拉曼光谱仪，用于在相同条件下对待测氮化镓材料和标准氮化镓材料分别进行拉曼光谱测试，以获取所述待测氮化镓材料的拉曼强度和所述标准氮化镓材料的拉曼强度；
计算装置，用于根据所述待测氮化镓材料的拉曼强度、所述标准氮化镓材料的拉曼强度以及拉曼强度和氮化镓材料的镓空位浓度的正相关关系，计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度；
其中，所述待测氮化镓材料的拉曼强度包括：所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度；
所述标准氮化镓材料的拉曼强度包括：所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度；
其中，所述待测氮化镓材料的拉曼强度还包括：所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度；
所述标准氮化镓材料的拉曼强度还包括：所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度；
其中，所述计算装置进一步用于利用下面的式子计算出所述待测氮化镓材料的镓空位浓度，
Ny/Nc＝PyEc/PcEy，
其中，Ny表示所述标准氮化镓材料的镓空位浓度，Nc表示所述待测氮化镓材料的镓空位浓度，Py表示所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度，Pc表示所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中在拉曼位移为650cm-1至拉曼位移为680cm-1之间的最大拉曼强度，Ey表示所述标准氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度，Ec表示所述待测氮化镓材料的拉曼光谱中的最大拉曼强度。
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