AlN单晶薄膜扫描光谱椭偏研究*

刘宁炀，王 巧，王君君，刘晓燕，林 丹，张志清，赵 维，陈志涛

广东省半导体产业技术研究院，广东 广州 510650



AlN单晶薄膜扫描光谱椭偏研究*

刘宁炀，王 巧，王君君，刘晓燕，林 丹，张志清，赵 维，陈志涛

广东省半导体产业技术研究院，广东 广州 510650

采用从近红外到深紫外能谱范围的扫描光谱椭偏方法，对AlN单晶薄膜结构和光学特性进行了研究．结果显示：近红外到近紫外能谱(1.5～3.875 eV)是高透明区，椭偏光谱呈现周期性振荡；近紫外及深紫外能谱(3.875～6.25 eV)是吸收区，椭偏光谱周期性振荡逐渐消失，且在4.27 eV和5.46 eV能谱位置产生与缺陷能级相关的阶跃；在近带边能谱(6.16 eV)处，椭偏光谱出现单峰极值．由多层结构建模及Tanguy Extended色散关系拟合得到AlN单晶薄膜o光和e光对应的禁带宽度(激子束缚能)，其分别约为6.32 eV(74.9 meV)和6.08 eV(70.0 meV)．研究表明，禁带宽度和光学各向异性对AlN薄膜椭偏光谱具有显著影响．

光谱椭偏；AlN薄膜；色散关系；各向异性

AlN薄膜具有高禁带宽度、高极化强度和高击穿电场强度，以及在GaN基材料中具有最小的面内晶格常数等优点[1]，因此能够为外延生长提供较强的压应力，从而避免外延层开裂及减少位错密度．以AlN为模板或衬底的外延生长已成为提高晶体质量、改善器件性能的重要技术手段，近年来广泛应用于深紫外LED、功率电子器件、紫外探测器等器件制备中[2-4]．光谱椭偏是一种有效的研究薄膜结构特点和光学常数(如折射率、消光系数等)的无损光学测试手段．关于AlN薄膜的光谱椭偏研究已有一些报道[5-7]，然而相关研究大多针对磁控溅射等方法制备的AlN多晶或非晶薄膜，且多采用Classical，Amorphous和Sellmeier等色散关系建模，分析的能谱范围较窄．由于AlN单晶薄膜的光学常数与多晶薄膜存在差异，且禁带宽度大、涉及的能谱范围广，因此选取适当的色散关系在大能谱范围内对其进行光谱椭偏研究非常必要．

本文采用扫描光谱椭偏方法，结合多层结构建模及Tanguy Extended色散关系模型，在近红外到深紫外能谱范围内对AlN单晶薄膜的膜厚、表面粗糙度、缺陷能级、禁带宽度等结构和光学特性进行了研究．

1 实验部分

本研究采用的样品为商业生产的2英寸AlN衬底上的AlN单晶薄膜，其中AlN衬底为磁控溅射方法沉积的AlN多晶薄膜，厚度约为1 mm，AlN单晶薄膜通过MOCVD外延生长获得，厚度约为3～4 μm．

光谱椭偏测试用Horiba公司生产的研究级UVSEL扫描光谱型相位调制椭偏仪，椭偏光以70°角入射样品[0001]轴向表面，在接收端通过单色仪接收反射的椭偏光，测量能谱范围是1.5～6.25 eV，步进为0.01 eV．建立包括衬底(S)，AlN缓冲层(L1)，AlN单晶薄膜(L2)及AlN/空气表面粗糙层(L3)在内的多层结构模型(图1)，对L1，L2和L3的厚度、AlN色散关系及AlN/空气比例进行拟合计算．其中衬底为无限厚且背面未抛光，其反射光可以近似忽略；样品表面在空气中容易受到氧化及玷污，从而需要单独考虑AlN/空气表面粗糙层．此外，分别采用日本理学Smartlab型高分辨X射线衍射、Hitachi S-3700N型扫描电子显微镜和Bruker Edge型原子力显微镜，对AlN单晶薄膜进行了XRD，SEM及AFM等分析．

L3 50%AlN50%AirL2AlN-crystalL1AlN-bufferSAlN-substrate

图1 样品多层结构模型示意图

Fig.1 Schematic diagram of multi-layer structure model for the sample

对多层结构模型的色散关系的拟合采用了Tanguy Extended色散公式[8-9]：

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

式(1)～式(6)中：ε是复数介电函数；a和b分别对应吸收峰的高度和位置；E是光子能量；Γ是吸收边展宽；A是振子振幅；R是激子束缚能；ξ(z)，g(ξ)和ψ(z)是数学函数；Eg是禁带宽度；k是消光系数；c和d是k的线性项和平方项系数．该公式考虑了激子效应的影响，不但能有效地描述透明波段和吸收波段的光学常数，而且还可以较精确地表示出带隙处的拟合结果，同时满足Kramers-Kronig色散关系[10]．

2 结果与分析

图2为样品(002)面的高分辨XRD薄膜衍射曲线．从图2可见，扫描曲线仅在2θ角为36.02°的位置出现强衍射峰，表明样品由单一的AlN结晶成分构成；其半宽约为367″，表明样品位错密度较小，具有与GaN可比拟的较高晶体质量．单一成分和较高的晶体质量，有利于建模时简化结构模型．

图2 样品(002)面XRD薄膜衍射2θ-ω扫描曲线和摇摆曲线Fig.2 The XRD 2θ-ωscan and rocking curve of (002) plane for the sample

图3为AlN单晶薄膜折射率和消光系数色散曲线．从图3可见，样品折射率在1.85～2.85之间变化，消光系数在-0.2～0.7之间变化，总体趋势是随着能谱变大而增加．从图3还可见：从近红外到近紫外能谱范围内(1.5～3.875 eV)，样品对入射的椭圆偏振光具有高度透明性，样品表面及AlN和衬底界面的反射光干涉形成显著的振荡；在深紫外能谱范围(3.875～6.25 eV)，样品对入射的椭偏光吸收变强，振荡逐渐消失，且特定的能谱位置(4.27eV和5.46eV)，椭偏光谱出现了突变的阶跃现象，这可能来源于样品缺陷能级吸收对光谱的影响，分别对应于AlN材料中氮空位缺陷能级到价带项的跃迁及氮空位缺陷能级到Al空位缺陷能级的跃迁[11]；此外，在靠近材料带边的深紫外能谱(6.16 eV)附近，椭偏光谱出现异常的扭曲和单峰极值，这与材料的带边吸收和激子束缚能等密切相关．

图3 AlN单晶薄膜折射率(左坐标轴)和消光系数(右坐标轴)色散曲线Fig.3 The refractive index (left axis) and extinction coefficient (right axis) of AlN thin film derived from scanning spectroscopic ellipsometry in a spectral range

为了获得更多的结构和光学常数信息，基于上述建立的多层结构模型及Tanguy Extended色散关系，对椭偏光谱进行深入的拟合分析．图4为样品在近红外到近紫外能谱范围折射率(左坐标轴)及消光系数(右坐标轴)的拟合曲线与实验结果对比图．从图4可见，拟合曲线与测试得到的变化趋势几乎完全一致，拟合标准差(χ2)小至0.093，表明建立的多层结构模型及选择的色散公式能够非常合理地描述样品高透明区的色散关系．拟合得到，AlN单晶薄膜总膜厚约为3045 nm，其中AlN缓冲层(L1)厚度约为22.4 nm，AlN晶体(L2)厚度约为3010 nm，表面粗糙层(L3)厚度约为12.8 nm，且AlN/空气占比约为91︰9．

图4 折射率(左坐标轴)和消光系数(右坐标轴)色散曲线的拟合结果与实验结果对比Fig.4 The comparison between simulated curve and experimental data for the refractive index (left axis) and extinction coefficient (right axis) in a spectral range

图5为样品横截面SEM图像和表面AFM扫描图像．从图5(a)可见，样品衬底之上的AlN薄膜较为光滑，厚度约为3104 nm，光谱椭偏结果与之误差约为3%；从图5(b)可见，在与椭偏光斑(直径80 μm)相比拟的较大的范围内(50 μm×50 μm)，样品表面粗糙度Ra约为10.2 nm，这进一步验证了通过多层结构色散关系拟合获得薄膜膜厚、表面粗糙度的可行性及可靠性．

图5 样品横截面SEM图像和表面AFM扫描图像(a) SEM图像；(b) 表面AFM扫描图像Fig.5 Cross section SEM image and surface AFM image for the sample (a) SEM image; (b) surface AFM image

由高透明区光谱拟合得到的AlN禁带宽度约为6.10 eV，激子束缚能约为83 meV，这主要对应于AlN中的e光[12]，由于没考虑o光的影响，得到的禁带宽度和激子束缚能误差较大．另外，将由高透明区拟合得到的结果应用于带边附近的椭偏光谱，发现拟合标准差迅速变大(χ2>5)，拟合结果重合性较低，这同样源于AlN呈现较强的光学各向异性，因此上述结果需要进一步修正．为此，考虑AlN单晶薄膜对o光和e光具有不同的色散关系，即样品应该具有两组Tanguy Extended色散公式参数，分别记为Ao，Ego和Ro及Ae，Ege和Re．在保持多层结构其它参数不变的情况下再次进行拟合，得到样品在带边附近的折射率和消光系数色散曲线(图6)．从图6可见，拟合标准差仅为0.0079，表明拟合结果与实验测量值非常接近．H. X. Jiang等人[13-14]的理论计算结果显示，由于应力和极化引起价带劈裂能级变化，随着Al组分x的增加，AlxGa1-xN材料的TM模(e光)成分逐渐增加，若x>0.25，TM模(e光)成分将超过TE模(o光)．对AlN(x=1)薄膜， TE模(o光)对应禁带宽度约为6.30 eV，而TM模(e光)对应禁带宽度约为6.11 eV，且TM模(e光)占主导．我们拟合得到的o光色散关系参数Ao，Ego及Ro分别为126，6.32 eV和74.9 meV，以及e光色散关系参数Ae，Ege及Re分别约为87，6.08 eV 和70.0 meV，结果与相关理论计算[13, 15]较为吻合，且进一步得到了o光和e光各自对应的激子束缚能．研究表明，对近带边能谱范围，AlN材料光学各向异性的影响不可忽略，需要分别考虑o光和e光在材料中的传输和出射，以便得到更精确的结果，这对优化设计AlN基器件结构、提高器件性能具有参考意义．

图6 折射率(左坐标轴)和消光系数(右坐标轴)色散曲线的拟合结果与实验结果对比图 Fig.6 The comparison between simulated curve and experimental data for the refractive index (left axis) and extinction coefficient (right axis) in a spectral range

3 结 论

基于扫描光谱椭偏方法研究了高质量AlN单晶薄膜结构和光学特性．由多层结构建模及Tanguy Extended色散关系拟合分析，得到了样品从近红外到深紫外能谱的椭偏光谱、膜厚、表面粗糙度、缺陷能级、禁带宽度、激子束缚能等重要参数．拟合结果表明，AlN单晶薄膜o光对应的禁带宽度约为6.32 eV，束缚激子能量约为74.9 meV，e光对应的禁带宽度约为6.08 eV，束缚激子能量约为70.0 meV，且近带边能谱附近AlN光学各向异性的影响不可忽略．

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Spectroscopic ellipsometry studies on the AlN single crystal thin film

LIU Ningyang，WANG Qiao，WANG Junjun，LIU Xiaoyan，LIN Dan, ZHANG Zhiqing，ZHAO Wei，CHEN Zhitao

GuangdongInstituteofSemiconductorIndustrialTechnology，Guangzhou510650，China

The structural and optical properties of AlN single crystal thin film were studied by Spectroscopic ellipsometry in a range of spectrum from near-infra-red to deep-UV. The results reveal that the spectrum from near-infra-red to near UV (1.5-3.875eV) is a highly transparent section and there are periodic oscillations. Besides, the spectrum from near-UV to deep-UV (3.875-6.25eV) is an absorption section with very weak periodic oscillations and two hopping points at 4.27eV and 5.46eV, which are related to defects. Moreover, the spectrum shows a single peak maximum near the band edge (6.16eV). Based on the multi-layers model and Tanguy Extended dispersion relation, the band gaps (exciton binding energies) of AlN were extracted as 6.32eV(74.9meV)and 6.08eV(70.0meV)for o-light and e-light, respectively. This research indicates that the spectroscopic ellipsometry of AlN thin film is significantly affected by the band gap and the optical anisotropy.

spectroscopic ellipsometry；AlN thin film；dispersion relation；anisotropy

1673-9981(2016)03-0181-05

2016-08-28

国家自然科学基金(1134048)；广东省创新团队(2013C067)；广东省特支计划(2014TQ01C707)；广东省自然科学基金(2015A030310023)；广东省重大科技专项(2014B010119003，2015B010112002)；广东省应用型科技研发专项(2015B010129010)；广东省公益研究与能力建设项目(2016B070701023).

刘宁炀(1984-)，男，广西梧州人，工程师，博士.

O472.3

A