立方SiC晶体特征的不同激发源拉曼光谱研究

SiC是一种宽带隙半导体，具有出色的材料性能，适用于高温，高频和高功率器件的应用。为了进一步促进SiC材料的应用，科研工作者需要充分的研究SiC材料的各种特性（例如载流子浓度和晶格声子振动）与生长过程和晶体质量之间的关系。拉曼光谱测量方法可以提供有关材料晶体完美度的有关信息，结合空间相关模型（SCM）和LO-声子和等离子体激元耦合（LOPC）模型，常用于材料定量分析。

广西大学冯哲川教授课 题组采用化学气相沉积法在硅衬底上生长一系列不同厚度的3C-SiC薄膜。采用不同的激发源做拉曼光谱研究，并应用空间相关模型、本振声子和等离子体耦合(LOPC)模型来分析薄膜的结构变化，得到不同深度薄膜光学模式的特征变化。
 

本文使用四个样本C1，C2，C3和C4。 C1，C2和C4的三个样品是未掺杂的，而C4是氮掺杂。使用两种显微拉曼光谱仪表征3C-SiC外延层样品。
 

结果与分析
 

图1 四个3C-SiC/Si（100）样品的拉曼光谱，分别由325 nm（a）和532 nm（b）激光激发。

图1（a）和（b）为325 nm和532 nm激光激发的四个3C-SiC样品的室温（RT）一阶拉曼光谱。与325nm激发光源相比，532nm激发下出现了硅基底的拉曼峰，这说明532nm的穿透深度大于325nm。3C-SiC薄膜的拉曼光谱位于794 cm-1和970 cm-1，表征TO和LO声子。根据闪锌矿晶体（100）表面的选择规律，应只能检测到LO模式，但在我们的测量中，TO模式的出现可能是由于薄膜的某种无序状态和表面非完美反向散射几何所引起的。图1（b）表明四个光谱中LO模式拉曼峰与硅二阶峰光谱重叠，这是由于532 nm的穿透深度大于薄膜厚度所引起的。图1（a）没有检测到硅的二阶峰，这是由于325 nm在3C-SiC薄膜穿透深度仅约为1.5 µm，远小于薄膜厚度。
 

图2 在325nm（a）和532nm（b）激光的激发下，4个3C-SiC样品TO模式拉曼光谱图

表1 325 nm（532nm）激发的四个样品的TO模式下的拟合参数。

图2 给出了分别在325 nm和532 nm激发下来自四个3C–SiC薄膜的TO模式拟合参数。532 nm激发下的拉曼散射强度高于325 nm，这可能是由于穿透深度的影响，穿透深度通常从可见波长到深紫外波长（DUV）逐渐减小。本文中的3C-SiC薄膜厚度在3.2-16.1um，因此，与532 nm的穿透深度相比，325 nm激光刚刚穿透了3C–SiC膜表面区域。通过325nm激发下的弱拉曼信号表明，该薄膜的表面晶格结构优于内部。晶体质量表面与内部差异生长终止、表面残留氧化物等因素导致。由532nm激发的TO模式强度比由325nm激发强得多。表1列出了3C–SiC样品的拟合参数。如图所示，随着膜厚度的增加，相关长度L增加而半高宽减小，表明膜质量得到改善。
 

图3 LOPC的拉曼光谱（a）325 nm激发光源，（b）532 nm激发光源
 

表2  LO声子上的样品参数被325 nm（532 nm）激发。

图3给出了3C–SiC样品在LOPC声子模的理论拟合峰。图3（a）为325nm激发源，图3（b）为4个3C-SiC样品和Si衬底之间的差异光谱。表2给出了在不同激光激发下四个样品的拟合结果。
 

本文采用紫外（325nm）和可见光（532nm）作为激发光源，应用空间相关模型（SCM）、LO-声子与等离子体激元耦合（LOPC）模型，对3C-SiC薄膜的拉曼光谱进行研究。结果表明：

1）532nm激发的TO模式强度远高于325nm激发源，这是由于在可见532nm激发下的散射体积比325nm激发下的散射体积大得多引起的。

2）325nm激发的自由载流子浓度高于532nm激发源，表明近表层的自由载流子浓度高于内部，这可能是薄膜近表面区域在生长过程中吸收更多的O、C、N等杂质元素，生成的缺陷导致。

3）从TO模式的线形分析，发现相关长度随膜厚的增加而增加，表明膜质量随膜厚的增加而提高。同样从LO模式分析中发现LOPC拉曼谱带变宽，并随着杂质浓度的增加向高频移动。

4）本文证明，采用2种激发光源进行拉曼光谱分析，可有效检测不同厚度立方SiC的晶体质量和载流子浓度，证明了拉曼光谱作为一种非破坏性的光谱技术，可以应用于CVD的生长过程质量监控。

该文章是由广西大学冯哲川教授课题组完成，以题目为“Adducing crystalline features from Raman scattering studies of cubic SiC using different excitation wavelengths”发表在Journal of Physics D: Applied Physics上。

本研究中的拉曼光谱采用的是北京卓立汉光仪器有限公司Finder One系列微区激光拉曼光谱仪测得，如需了解该产品，欢迎咨询我司。

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