CN111880072A - 基于光生载流子效应的拉曼光谱表征4H-SiC电学性质方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光生载流子效应的拉曼光谱表征4H‑SiC电学性质方法，步骤如下：选用紫外激光进行激发，保证在被测4H‑SiC样品中能够激发出光生载流子；选择适配于紫外激光光路的物镜，光栅刻线密度，并设置光谱仪积分时间和累积次数的数值；设置能完全覆盖4H‑SiC一阶拉曼峰的光谱扫描范围；通过调节光路中的衰减片来改变到达被测4H‑SiC表面的激光功率强度，分别选取不同激光功率对4H‑SiC样品进行拉曼光谱测试，得到不同激光功率激光激发条件下LOPC模对应的拉曼光谱实验数据；进行数学拟合；通过载流子浓度与激光功率之间的线性关系式计算得到被测4H‑SiC无光生载流子产生时的本征载流子浓度数值。
Description
技术领域
本发明属于拉曼光谱表征、半导体材料科学等领域。提出一种基于光生载流子效应的拉曼光谱表征4H-SiC电学性质方法。
背景技术
随着半导体材料制备工艺的快速发展，半导体元器件的应用得到了长足的发展。更加严苛的工作条件和性能要求促使半导体材料的不断更迭。在4H-SiC元器件的加工制备领域，载流子浓度是需要重点考虑的电学参数之一。测量载流子浓度的电学测试方法如四探针法等制备过程复杂且会对被测样品造成破坏，随着光学检测技术的发展，拉曼光谱等非接触式的光学检测方法逐渐应用到半导体电学性质的检测过程中。使用拉曼光谱测试得到的4H-SiC纵光学声子与等离子激元耦合模(Longitudinal optical plasmon coupledmode，LOPC模)实验数据，与LOPC模拉曼峰的理论强度公式拟合能够得到被测4H-SiC的载流子浓度数值。
碳化硅LOPC模拉曼峰强度公式为：
其中ω代表拉曼位移,S代表无单位的比例常数,ε(ω)代表经典介电函数，式(1)中A(ω)表示为:
其中ωT代表横光学声子(TO)模频率,ωL代表未耦合的纵光学声子(LO)模频率,ωP代表等离子体频率,γ等离子体衰减系数,ΓT代表横光学声子模的衰减系数，其中Δ表示为：
C代表Faust-Henry常数，它的数值与碳化硅晶体中纵向光学声子模与横向光学声子模的拉曼强度比相关。
其中ω1代表入射光频率，经典介电函数由声子和等离子体激元组合得到：
其中ε∞代表光学介电常数，i是虚数符号。等离子体频率值可以由公式(6)得到:
其中n代表载流子浓度，e代表元电荷，m*代表电子有效质量。上述公式主要由反映原子位移导致的光极化调制畸变能机制(Deformation Potential mechanisms)和电场极化调制的电光机制(Electro-Optical mechanisms)决定。但上述方法适用的载流子浓度范围仅为：1.6×1016cm-3-5.0×1018cm-3，对于载流子浓度低于此适用浓度范围的4H-SiC无法进行有效检测。光生载流子效应是指当入射激光光子能量大于被测样品的禁带宽度时，会在被测样品内激发出自由移动的电子空穴对。将光生载流子效应与拉曼光谱测试有机结合起来，可以对较低载流子浓度的4H-SiC的进行有效测量，并最终计算出其载流子浓度的大小。
发明内容
本发明的目的是提出了基于光生载流子效应的拉曼光谱表征4H-SiC电学性质方法。本发明的技术方案如下：
一种基于光生载流子效应的拉曼光谱表征4H-SiC电学性质方法，其特征在于：采用一个包括紫外激光光源、白光光源、共聚焦狭缝、三维位移平台、CCD探测器以及计算机的激光显微共聚焦拉曼测试系统，其中，紫外激光光源用来辅助聚焦并激发样品的拉曼信号；白光光源用来照明样品，辅助观察样品轮廓和形貌；共聚焦狭缝用来滤除聚焦点以外样品的干扰信号；三维位移平台用于实现调整样品的空间位置；CCD探测器用于收集被测样品的拉曼信号；计算机用于对拉曼测试的原始数据进行存储、峰位寻找和数学拟合分析。步骤如下：
(1)选用紫外激光进行激发，保证在被测4H-SiC样品中能够激发出光生载流子；
(2)选择适配于紫外激光光路的物镜，光栅刻线密度，并设置光谱仪积分时间和累积次数的数值；
(3)设置能完全覆盖4H-SiC一阶拉曼峰的光谱扫描范围；
(4)保持步骤1-3中设置的激光波长、物镜、光栅刻线密度、积分时间、累计次数和光谱扫描范围不变，通过调节光路中的衰减片来改变到达被测4H-SiC表面的激光功率强度，分别选取不同激光功率对4H-SiC样品进行拉曼光谱测试，得到不同激光功率激光激发条件下LOPC模对应的拉曼光谱实验数据；
(5)将步骤(4)中得到的不同激光功率激光激发条件下LOPC模对应的拉曼光谱实验数据，与LOPC模的理论强度计算公式进行数学拟合，并将等离子体频率作为可调整的参数，进行多次迭代计算后即可得到不同激光功率激发条件下的等离子体频率参数数值，通过等离子体频率与载流子浓度的计算公式计算得到不同激光功率下的4H-SiC载流子浓度数值；
(6)基于最小二乘法理论，将激光功率的数值与不同激光功率激光激发条件下的载流子浓度数值进行线性拟合，通过载流子浓度与激光功率之间的线性关系式计算得到被测4H-SiC无光生载流子产生时的本征载流子浓度数值。
优选地，步骤(1)中，选用激光波长为325nm的紫外激光。
步骤(2)中，选用40倍物镜，光栅刻线密度选择3600gr/mm。
本发明的有益效果是：将光生载流子效应与拉曼光谱检测有机结合起来，使得使用拉曼光谱探测4H-SiC载流子浓度的适用范围拓宽至1015cm-3数量级。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1是使用的4H-SiC样品的结构示意图。
图2使用325nm激光对4H-SiC样品进行测试的TO模和LOPC模的拉曼谱图，(a)和(b)分别是使用不同功率。
图3是325nm激光激发条件下LOPC模拉曼峰位因光生载流子的产生而随着激光功率的增加而产生的线性位移。
图4是将激光功率数值与不同激光功率激光激发条件下的载流子浓度数值的线性拟合结果。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
图1给出了被测4H-SiC样品的多层结构，至上而下依次是外延层和重掺杂基底层。
图2给出了被测4H-SiC样品在325nm紫外激光激发下的TO模和LOPC模的拉曼谱图。
在实际测试过程中，选择激发波长为325nm，利用单晶金刚石标样的一阶拉曼峰1332.0cm-1对拉曼光谱仪进行校准。将4H-SiC样品放在样品台上，调整样品台高度使得激光光斑聚焦到被测4H-SiC样品表面，聚焦清晰时，白光光路下可清晰看到样品表面轮廓，激光光路可看到激光光斑聚焦到样品表面且尺寸最小。选取40倍紫外激光光路专用物镜，并选取合适的积分时间和累计次数以保证信噪比。
通过调整接入光路的衰减片以改变入射到被测样品表面的激光功率大小，选用激光功率为1mW，2mW，10mW和20mW进行拉曼测试并保存原始实验数据。图3给出了不同功率325nm激光激发条件下LOPC模拉曼峰位因光生载流子的产生而随着激光功率的增加而产生的线性位移，不同功率532nm激光激发条件下LOPC模拉曼峰位不变说明532nm激光不会在4H-SiC样品内部产生光生载流子，因为532nm激光的光子能量小于4H-SiC的禁带宽度，不同功率325nm激光激发条件下TO模拉曼峰位不变说明LOPC模的拉曼峰位右移不是由于局部热效应产生的整体性峰位移动所产生的。
将4H-SiC LOPC模拉曼峰的理论强度公式
与不同激光功率下拉曼测试的实验数据使用数学分析软件MATLAB r2018中的curve fitting模块进行拟合，拟合过程中将等离子体频率作为可调整的参数，进行多次迭代计算后即可得到不同激光功率激发条件下的等离子体频率参数数值，并通过等离子体频率与载流子浓度的计算公式
(背景技术里已经对各个参数进行了定义)得到不同激光功率下的4H-SiC载流子浓度数值。图4展示了基于最小二乘法理论，将激光功率数值与不同激光功率激光激发条件下的载流子浓度数值进行线性拟合的结果，通过载流子浓度与激光功率之间的线性关系式计算得到被测4H-SiC无光生载流子产生时的本征载流子浓度数值。
Claims (4)
1.一种基于光生载流子效应的拉曼光谱表征4H-SiC电学性质方法，采用一个包括紫外激光光源、白光光源、共聚焦狭缝、三维位移平台、CCD探测器以及计算机的激光显微共聚焦拉曼测试系统，其中，紫外激光光源用来辅助聚焦并激发样品的拉曼信号；白光光源用来照明样品，辅助观察样品轮廓和形貌；共聚焦狭缝用来滤除聚焦点以外样品的干扰信号；三维位移平台用于实现调整样品的空间位置；CCD探测器用于收集被测样品的拉曼信号；计算机用于对拉曼测试的原始数据进行存储、峰位寻找和数学拟合分析。其特征在于，步骤如下：
(1)选用紫外激光进行激发，保证在被测4H-SiC样品中能够激发出光生载流子；
(2)选择适配于紫外激光光路的物镜，光栅刻线密度，并设置光谱仪积分时间和累积次数的数值；
(3)设置能完全覆盖4H-SiC一阶拉曼峰的光谱扫描范围；
(4)保持步骤1-3中设置的激光波长、物镜、光栅刻线密度、积分时间、累计次数和光谱扫描范围不变，通过调节光路中的衰减片来改变到达被测4H-SiC表面的激光功率强度，分别选取不同激光功率对4H-SiC样品进行拉曼光谱测试，得到不同激光功率激光激发条件下LOPC模对应的拉曼光谱实验数据；
(5)将步骤(4)中得到的不同激光功率激光激发条件下LOPC模对应的拉曼光谱实验数据，与LOPC模的理论强度计算公式进行数学拟合，并将等离子体频率作为可调整的参数，进行多次迭代计算后即可得到不同激光功率激发条件下的等离子体频率参数数值，通过等离子体频率与载流子浓度的计算公式计算得到不同激光功率下的4H-SiC载流子浓度数值；
(6)基于最小二乘法理论，将激光功率的数值与不同激光功率激光激发条件下的载流子浓度数值进行线性拟合，通过载流子浓度与激光功率之间的线性关系式计算得到被测4H-SiC无光生载流子产生时的本征载流子浓度数值。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中，选用激光波长为325nm的紫外激光。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)中，选用40倍物镜，光栅刻线密度选择3600gr/mm。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所设置的光谱扫描范围：100-1100cm-1。
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