4H-SiC同质外延拉曼散射光谱

王守国，柴泾睿,，王 登

(1.西北大学 信息科学与技术学院， 陕西 西安 710127;2.西安电子科技大学 宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室，陕西 西安 710071)



·信息科学·

4H-SiC同质外延拉曼散射光谱

王守国1，柴泾睿1,2，王 登2

(1.西北大学 信息科学与技术学院， 陕西 西安 710127;2.西安电子科技大学 宽禁带半导体材料与器件教育部重点实验室，陕西 西安 710071)

在4H-SiC(0001)衬底上,使用CVD法生长不同掺杂浓度的外延层。将不同掺杂浓度的4H-SiC外延层,用拉曼散射光谱进行了研究。使用Matlab拟合了LOPC模的线型,并从理论上计算出载流子浓度,载流子浓度的理论计算值与SIMS测量的结果符合良好。随着掺杂浓度的变大,载流子浓度变大,LOPC峰发生蓝移,频移变大,散射强度变小,峰宽变宽。分析认为,LOPC峰发生蓝移主要和晶格振动有关,浓度越大,使得原子之间和晶胞之间的相互作用越强,致使出现蓝移现象。随着掺杂浓度的增大,声子增加,进而散射概率增加,散射概率降低了声子寿命,声子寿命和峰宽成反比,随着掺杂浓度增大,峰宽变宽。随着掺杂浓度的增大,散射强度越来越小。

4H-SiC;拉曼光谱;掺杂浓度;LOPC模

SiC电子器件非常适合工作在高温,高频和大功率等特殊环境下[1-2]。光学测试技术具有无接触、无破坏性、测试精度高和无污染晶片等优点[3],本文通过拉曼散射光谱对4H-SiC外延特性的研究分析,通过MATLAB仿真模拟了LOPC模的线型,从理论上计算出载流子浓度,并与SIMS测得的浓度进行对比。根据实验数据得出随掺杂浓度的变化,LOPC峰的变化情况,并加以理论分析。

1 实 验

实验样品制备采用德国AIXTRON公司的VP508水平式低压热壁CVD系统。衬底为SiCrystal.AG公司提供的Si面,偏离(0001)面8°的n型4H-SiC单晶,掺杂浓度约为5×1018cm-3。制备过程中SiH4，C3H8作为Si源和C源;高纯N2作为掺杂的N源,氢气为载气。外延样品生长温度在1 570°C,压力为100mbar。

实验中所用拉曼测试系统的光源为Ar+激光器,激发波长为532nm谱线,激发功率为200mW,测试是在室温下进行,扫描范围为65～1 700 cm-1,测试精度为1.8 cm-1。

2 实验结果及分析

4H-SiC是六角结构,晶体的空间群满足C46v对称,原胞内包含8个原子。在入射光平行于C轴背散射条件下,根据拉曼散射的选择定则,可以获得A1，E1，E2模的拉曼谱。

图1是不同掺杂浓度4H-SiC单晶的背散射几何配置下的拉曼光谱,样品1，2，3为N掺杂n型4H-SiC。通过SIMS测得它们的载流子浓度分别为1.1×1016cm-3;1.4×1017cm-3;5.0×1018cm-3。各个拉曼散射峰对应的声子频率及其对称性见表1。还根据拉曼光谱强度的明显不同,可以确定所测晶体的晶型。S. Nakashima等[3]提出,若某一晶型的SiC单晶晶体的六方百分比为n,则在其拉曼活性的横向声学模(FTA)和横向光学模(FTO)中,最大强度的FTA模和FTO模其简约波矢x均等于该晶体的六方百分比n。4H-SiC的n=50%,即x=2/4的FTA, FTO的强度最大,该结果正好与图的标示相同,所以可以确定该样品为4H-SiC。

图1 不同掺杂浓度4H-SiC单晶的背散射几何配置下的拉曼光谱Fig.1 Ramdh spectra of fifferent doping concenqation 4H-SiC single crystal under the back scattering geometrg configuation

表1 拉曼散射峰对应的声子频率及其对称性Tab.1 The phonon frequency and symmetry of Raman scattering peaks

3 在LO声子等离子体激元耦合模式下的拉曼散射理论分析

线的形状和耦合模式的频率已经通过介电分析计算出来了[3-10]。式(1)给出了LOPC模式下的拉曼散射效率。

(1)

式中S是比例常数

(2)

εM(ω)=ε1(ω)+iε2(ω)。

(3)

等离子频率和载流子有效质量以及载流子密度密切相关,由式(4)可以看出

(4)

式中ωp为等离子体频率;n为载流子密度;m*为载流子的有效质量;εα为光学介电常数;为了充分地展现出LO声子的衰减,我们采取以下有关声子衰减的介电函数,

(5)

式中ωL是LO声子频率;我们把这个公式作为扩展的经典介电函数(ECDF)。这个公式已经开始被用于分析拉曼散射和红外反射,上述介电函数的实部和虚部由式(6)给出

ε1(ω)=

(6)

ε2(ω)=

(7)

函数F1和F2的确切形式如下

F1(ω)=

(8)

F2(ω)=Im(F)=

(9)

式中C是Faust-Henry系数;ωT是TO声子频率;Γ是声子衰减常数;γ是等离子衰减常数。

4 理论分析

使用最小二乘法通过MATLAB对LOPC模式下的数据线,用ECDF方程进行拟合。将ωp，Γ，γ作为可调整的参数,通过拟合得到ωp的值,再由方程(4)得到载流子浓度。图2、图3和图4是拟合的结果

图2 载流子浓度为1.1×1016cm-3的4H-SiC拟合图形Fig.2 4H-SiC fitting graphics with carrier concentration of 1.1×1016 cm-3

图3 载流子浓度为1.4×1017cm-3的4H-SiC拟合图形Fig.3 4H-SiC fitting praphics with carrier concentration of 1.4×1017 cm-3

图4 载流子浓度为5.0×1018cm-3的4H-SiC拟合图形Fig.4 4H-SiC fitting graphics with carrier concentration of 5.0×1018cm-3

通过拟合得到ωp的值,再由方程(4)分别得到3组实验数据的载流子浓度分别为1.3×1016cm-3;1.2×1017cm-3;4.9×1018cm-3。与SIMS测得的载流子浓度1.1×1016cm-3;1.4×1017cm-3;5.0×1018cm-3,相比较发现结果符合的较好,表明拉曼光谱可以提供较为准确的载流子浓度。

结合图1和图2可以看出,随着掺杂浓度的变大,A1峰发生蓝移,LOPC峰蓝移可能和晶格振动有关。随着载流子浓度的增加,使得原子之间及晶胞之间的相互作用增加,从而引起振动频率的增加,因此出现了A1峰蓝移的现象。随着掺杂浓度的增大,进而散射概率增加,增加的散射概率降低声子寿命,声子寿命和峰宽成正比,所以峰宽也随之变宽。

5 结 语

对4H-SiC(0001)衬底上CVD法生长的不同掺杂浓度的同质单晶外延进行了拉曼散射光谱研究。结果表明随着掺杂浓度的增大,载流子浓度也在增加：①随着载流子浓度的增加我们发现规律LOPC峰发生蓝移，根据分析认为可能是由于原子增多而引起的原子之间及晶胞之间的相互作用增加,从而引起振动频率的增加,因此出现了A1峰蓝移的现象；②随掺杂浓度的增大, 禁带宽度随之发生变化,载流子的增大导致势能降低,从而导致散射强度变小；③掺杂浓度的增大,声子增加,进而散射概率增加,增加的散射概率降低声子寿命,声子寿命和峰宽成正比。所以随着掺杂浓度的增大峰宽也随之变宽。

[1] ELASSER A, CHOW T P. Silicon carbide benefits and advantages for power electronics circuits and systems [J]. Proceedings of the IEEE, 2002, 90(6): 969-986.

[2] WALDROP J, GRANT R, WANG Y, et al. Metal Schottky barrier contacts to alpha 6H-SiC [J]. Journal of Applied Physics, 1992, 72(10): 4757-4760.

[3] YUGAMI H, NAKASHIMA S, MITSUISHI A, et al. Characterization of the free-carrier concentrations in doped β-SiC crystals by Raman scattering [J]. Journal of Applied Physics, 1987, 61(1): 354-358.

[4] HON D, FAUST W. Dielectric parameterization of Raman lineshapes for GaP with a plasma of charge carriers [J]. Applied Physics, 1973,1(5):241-256.

[5] BALKANSKI M. Light scattering in solids [M]. New York:Springer, 1974.

[6] IRMER G, TOPOROV V, BAIRAMOV B, et al. Determination of the charge carrier concentration and mobility in n-gap by Raman spectroscopy [J].Physica Status Solidi (b), 1983, 119(2): 595-603.

[7] COLWELL P J, KLEIN M V. Raman scattering from electronic excitations in n-type silicon carbide [J]. Physical Review B, 1972, 6(2): 498.

[8] KLEIN M V, GANGULY B, COLWELL P J. Theoretical and experimental study of Raman scattering from coupled LO-phonon-plasmon modes in silicon carbide [J]. Physical Review B, 1972, 6(6): 2380.

[9] FUKASAWA R, PERKOWITZ S. Raman-scattering spectra of coupled LO-phonon-hole-plasmon modes in p-type GaAs [J]. Physical Review B, 1994, 50(19): 14119.

[10] HARIMA H, NAKASHIMA S I, UEMURA T. Raman scattering from anisotropic LO-phonon-plasmon-coupled mode in n-type 4H-and 6H-SiC [J]. Journal of Applied Physics, 1995, 78(3): 1996-2005.

(编 辑曹大刚)

A study on raman scattering spectra of 4H-SiC homoepitaxial layers

WANG Shou-guo1, CHAI Jing-rui1,2, WANG Deng1

(1.School of Information Science and Technology, Northwest University, Xi′an 710127; 2.Key Laboratory of Wide Band-Gap Semiconductor Technology, Xidian University, Xi′an 710071，China)

Using CVD grown epitaxial layers of different doping concentrations on the 4H-SiC. This article, using Raman scattering spectra, is to study 4H-SiC epitaxial layer of different doping concentrations. MATLAB was used fitting the LOPC mode linear and theoretically calculated the carrier concentration, the theoretical calculations results of the carrier concentration were in good agreement with SIMS measurement. As the doping concentration increases, the carrier concentration increases, the peak of LOPC blue shifts, frequency shift becomes large, the scattering intensity is small, the peak width is widened. Analysis shows that the peak of LOPC mode shift is related to the lattice vibrations, with greater concentration the interaction between the atom and the cell, resulting in a blue-shift phenomenon. As the doping concentration increases, the phonon increases, thereby increasing the probability of scattering, lifetime and phonon peak width is inversely proportional with the doping concentration, the peak width is widened. As the doping concentration increases, the scattering intensity reduces.

4H-SiC; Raman spectroscopy; doping concentration; LOPC mode

2014-03-11

陕西省教育厅科研计划基金资助项目(12JK0532)；西北大学信息科学与技术青年基金项目

王守国，男，山东青岛人，从事半导体器件及材料研究。

TN40

：ADOI：10.16152/j.cnki.xdxbzr.2015-02-011