● 碳化硅 (SiC) 是一種半導(dǎo)體，其特性使其適用于高電壓電子應(yīng)用，但在制造過(guò)程中精細(xì)控制其結(jié)構(gòu)對(duì)于充分利用這些特性至關(guān)重要。

● 拉曼光譜技術(shù)對(duì)碳化硅的不同晶體多型體高度敏感，目前已知的有250種。

● 拉曼成像技術(shù)可用于繪制碳化硅半導(dǎo)體晶圓上摻雜濃度的變化。

● 3D拉曼成像技術(shù)可以表征碳化硅晶格中缺陷的形態(tài)和化學(xué)性質(zhì)。

碳化硅 (SiC) 是一種常用于高功率電子器件（如電動(dòng)汽車逆變器和太陽(yáng)能電池板電網(wǎng)）中晶體管的半導(dǎo)體。

SiC 被認(rèn)為是優(yōu)于硅的材料，因?yàn)樗哂幸韵绿匦裕?/span>

寬帶隙：可在更高電壓和頻率下工作，并具有更高的功率轉(zhuǎn)換效率。

更高的熱導(dǎo)率：更好的散熱性，并在更高溫度下保持效率。

化學(xué)惰性：耐腐蝕和氧化，使器件能在更惡劣的條件下運(yùn)行。

抗輻射性：不易受到輻射損傷。

因此，SiC 在器件效率、尺寸和熱管理至關(guān)重要的應(yīng)用中表現(xiàn)出色。

為確保充分發(fā)揮這些優(yōu)勢(shì)，制造商必須監(jiān)測(cè)和控制SiC的晶體結(jié)構(gòu)、晶體質(zhì)量、摻雜濃度和缺陷，這些因素都會(huì)嚴(yán)重影響材料的性能。

在本應(yīng)用文章中，我們使用愛(ài)丁堡儀器RM5顯微拉曼光譜儀來(lái)證明顯微拉曼是快速、可重復(fù)、無(wú)損且非接觸式地識(shí)別SiC中結(jié)構(gòu)和電子參數(shù)的理想技術(shù)。

圖1. 愛(ài)丁堡儀器RM5顯微共聚焦拉曼光譜儀。

圖2. (A) SiC四面體，(B) 3C-SiC晶胞，(C) 4H-SiC晶胞和 (D) 6H-SiC晶胞示意圖。示意圖(B)–(D)代表了 SiC已知250種多型體中的三種。

在此命名規(guī)則中，字母代表晶體學(xué)點(diǎn)群，數(shù)字代表晶胞中的原子層數(shù)。例如，“C”和“H”分別代表立方和六方對(duì)稱性。4H-SiC和6H-SiC具有六方對(duì)稱性，但它們的不同之處在于4H-SiC的晶胞有四層原子，而 6H-SiC有六層。這些不同的多型體具有不同的帶隙和載流子遷移率，這就是為什么能夠區(qū)分它們至關(guān)重要。

如圖 3 所示，分析并顯示了4H-SiC的拉曼光譜。4H-SiC屬于C6v點(diǎn)群，具有A₁、E₁和E₂對(duì)稱性的拉曼活性模式。在拉曼光譜中，最顯著的譜峰標(biāo)注如下：位于205 cm^-1的峰是E₂橫聲學(xué)聲子(TA)模式，610 cm^-1是A₁縱聲學(xué)聲子(LA)模式，777.0 cm^-1是E₂橫光學(xué)聲子(TO)模式，983.0 cm^-1是A₁縱光學(xué)聲子(LO)模式¹。關(guān)于聲子模式的解釋請(qǐng)參見(jiàn)我們關(guān)于硅半導(dǎo)體的應(yīng)用指南（https://www.edinst.com/resource/application-note-raman-imaging-of-strain-in-a-silicon-semiconductor-wafer/）。

圖3.4H-SiC晶圓的拉曼光譜，標(biāo)注了聲學(xué)聲子和光學(xué)聲子模式。

3C-SiC和6H-SiC的拉曼光譜與4H-SiC有細(xì)微差別。屬于Td點(diǎn)群的3C-SiC，其TO峰和LO峰的拉曼位移均高于4H-SiC。此外，TO 峰和 LO 峰的強(qiáng)度比接近 1:1，且3C-SiC中沒(méi)有TA和LA峰²。

6H-SiC也屬于C6v點(diǎn)群，但由于堆垛序列不同，其光譜不同于4H-SiC。在6H-SiC中，TA和LA模式都出現(xiàn)在更高的拉曼位移處，并且相對(duì)于位于797 cm^-1的主導(dǎo)峰TO (E₁) 模式，TO (E₂) 峰的比例減小了²。我們將在后面分析缺陷的部分看到一個(gè)例子。

由于每種多型體都表現(xiàn)出獨(dú)特的拉曼光譜，因此該技術(shù)可以很容易地用于表征 SiC 晶圓和器件中的晶體結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化電子和物理性能。

摻雜半導(dǎo)體是開(kāi)發(fā)二極管和晶體管的關(guān)鍵過(guò)程。金屬半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (MESFET) 等器件需要生長(zhǎng)高度受控的外延n型和p型層³。在SiC中，n型摻雜通常通過(guò)氣相外延過(guò)程中的氮摻雜來(lái)實(shí)現(xiàn)，拉曼光譜可用于表征整個(gè)晶圓上的摻雜濃度。使用顯微共聚焦拉曼光譜儀研究時(shí)，可以獲得與局部摻雜濃度（進(jìn)而與載流子濃度）相關(guān)的亞微米分辨率拉曼圖像。

研究表明，SiC中的LO聲子模式對(duì)氮摻雜濃度敏感⁴。更具體地說(shuō)，隨著摻雜濃度的增加，LO聲子模式的拉曼位移增加，發(fā)生不對(duì)稱展寬，并且強(qiáng)度降低。這種現(xiàn)象是LO聲子模式所獨(dú)有的，歸因于聲子-等離子體激元耦合(phonon-plasmon coupling)。當(dāng)SiC中的載流子濃度足夠高時(shí)，相關(guān)等離子體的縱向振蕩會(huì)改變介電常數(shù)，從而改變LO聲子模式的拉曼散射截面和峰形^5,6。因此，LO聲子模式是衡量載流子濃度的極佳指標(biāo)。

進(jìn)行了拉曼成像以評(píng)估4H-SiC晶圓上一個(gè)區(qū)域內(nèi)相對(duì)的n型摻雜濃度，如圖4所示。圖4A顯示了映射區(qū)域的暗場(chǎng)圖像。圖4B的圖像是LO聲子模式的拉曼強(qiáng)度成像圖。它表明所分析的區(qū)域大致可以分為拉曼強(qiáng)度高和低的區(qū)域。

圖4.n型4H-SiC晶圓中摻雜濃度的拉曼成像。(A)晶圓上拉曼成像區(qū)域的暗場(chǎng)圖像。(B)SiC中LO聲子模式的拉曼強(qiáng)度成像圖。(C)沿著(B)中綠線掃描在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)記錄的LO聲子模式峰位。(D)從(B)中點(diǎn)1和點(diǎn)2提取的光譜。

圖4B圖像中的綠色箭頭代表提取的線掃描。圖4C顯示了沿著該線掃描在每個(gè)測(cè)量點(diǎn)記錄的LO聲子模式峰位。圖4C中的第一個(gè)測(cè)量點(diǎn)對(duì)應(yīng)于圖4B中線掃描的起點(diǎn)?？梢杂^察到，在LO拉曼強(qiáng)度較低的區(qū)域（擬合Voigt函數(shù)后），LO拉曼位移在平均值上也更高。這與更高的氮摻雜/載流子濃度一致。

圖4D顯示了從較高和較低載流子濃度區(qū)域提取的光譜。在載流子濃度較高的樣品區(qū)域，相對(duì)于低載流子濃度區(qū)域，LO聲子峰的峰位和峰寬增加，強(qiáng)度降低。TO峰的峰形保持不變。

表征SiC晶圓中的缺陷至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈兛赡軐?dǎo)致最終電子器件的故障。這些缺陷可能是基面位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、點(diǎn)缺陷，或者是大的缺陷，如多型體夾雜物和外來(lái)材料微管 (micropipes)。拉曼光譜是理想的選擇，因?yàn)樗鼘?duì)材料的結(jié)構(gòu)變化高度敏感。使用3D拉曼成像，可以生成將夾雜物在X、Y和Z方向的形態(tài)信息與其化學(xué)性質(zhì)或變化的物理狀態(tài)相關(guān)聯(lián)的圖像。

我們?cè)趎摻雜的4H-SiC晶圓表面識(shí)別出外來(lái)晶體（圖5A），并利用拉曼光譜分析和3D成像相結(jié)合來(lái)收集更多信息。使用了0.9 NA物鏡和70 μm共聚焦針孔直徑。較小的共聚焦針孔直徑減少了樣品內(nèi)的收集體積，并提高了3D成像期間的軸向空間分辨率。3D拉曼圖的XY平面和XZ平面分別如圖5B和5C所示。

在圖5B中，可以清楚地看到所識(shí)別的兩個(gè)夾雜物在化學(xué)性質(zhì)上與周圍的晶圓不同。綠色偽彩對(duì)應(yīng)于 4H-SiC特征性的TO(E₂)峰的拉曼強(qiáng)度，紅色偽彩對(duì)應(yīng)于795 cm^-1處一個(gè)峰的拉曼強(qiáng)度，該峰被歸屬為6H-SiC的TO (E₁)峰。3D拉曼圖中XZ平面的圖像（圖5C，顯示了圖5B中箭頭指示的缺陷）提供了有關(guān)夾雜物形態(tài)的信息。它部分嵌入在4H-SiC晶格內(nèi)，是一個(gè)長(zhǎng)度超過(guò)3 μm的管狀晶體。

圖5.n型4H-SiC晶圓中缺陷的3D拉曼成像。(A)晶圓上拉曼成像區(qū)域的明場(chǎng)圖像。(B)晶圓及周圍缺陷的 3D拉曼圖像的XY平面。(C)3D拉曼圖像的XZ平面。(D)晶圓和缺陷的拉曼光譜。(E)跨越(A)圖像右上角缺陷的TO(E2)峰位的拉曼成像圖。(F) 從(E)中高亮點(diǎn)提取的光譜。

圖5D顯示了缺陷和周圍晶圓的光譜。與周圍晶圓相比，夾雜物表現(xiàn)出強(qiáng)度較低的TO (E₂)峰和強(qiáng)度較高的TO (E₁)峰。在夾雜物中還觀察到一個(gè)位于265 cm^-1的小峰，被歸屬為6H-SiC的TA (E₂)峰⁷。

在缺陷本身內(nèi)部也存在顯著的光譜變化。圖5E顯示了跨越圖5A圖像右上角缺陷的TO(E₂)峰位的拉曼成像圖。觀察到缺陷上存在低（藍(lán)色）和高（紅色）拉曼位移的區(qū)域簇，總變化范圍在773 cm^-1 到 774 cm^-1之間。這些區(qū)域分別對(duì)應(yīng)點(diǎn)3和點(diǎn)4。從這些點(diǎn)提取的光譜還揭示了TO (E₁)峰位的變化，以及兩個(gè)峰之間整體劈裂值的變化。在這個(gè)例子中，3D拉曼成像揭示了晶圓內(nèi)這個(gè)微小夾雜物具有相當(dāng)程度的結(jié)構(gòu)復(fù)雜性。

1. F. Davis et al., Mat. Sci. Eng. B, 1988, 1, 77-104.

2. Bechelany et al., Adv. Funct. Mater., 2007, 17, 939-943.

3. Ferro et al., Sci. Rep., 2017, 7, 43069.

4. Burton et al., J. Appl. Phys., 1998, 84, 6268-6273.

5. V. Klein et al., Phys. Rev. B, 1972, 6, 2380-2388.

6. Irmer et al., Phys. Status Solidi, 1983, 119, 595-603.

7. Bauer et al., J. Raman. Spectrosc., 2009, 40, 1867-1874.