椭偏仪在半导体的应用|不同厚度c-AlN外延薄膜的结构和光学性质

随着半导体器件向高温、高频、高功率方向发展，氮化铝（AlN）等宽禁带半导体材料的外延质量至关重要。薄膜的厚度、界面粗糙度、光学常数及带隙温度依赖性直接影响器件性能。Flexfilm全光谱椭偏仪可以非接触对薄膜的厚度与折射率的高精度表征，广泛应用于薄膜材料、半导体和表面科学等领域。

本文基于光谱椭偏技术，结合X射线衍射、拉曼光谱等方法，系统研究了c面蓝宝石衬底上生长的不同厚度AlN外延薄膜的结构与光学性质，重点通过高温变温椭偏分析，揭示了薄膜厚度对晶体质量、带隙热稳定性及应力状态的调控机制。

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实验与方法

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椭偏仪测试系统

本研究采用Flexfilm全光谱椭偏仪进行测试。测量时使用三个入射角：60°、65°和70°。变温测试通过变温台实现，温度范围300 K–850 K，每个温度点稳定15分钟后采集数据，以保证温度均匀性。

样品制备与测试流程

AlN 样品结构示意图

样品采用MOCVD阶梯生长法在c面蓝宝石衬底上制备，分别生长了名义厚度为2 μm（AlNt）和4 μm（AlNn）的AlN外延层。椭偏测试前未对样品进行特殊表面处理。测试在常压环境下进行，高温测试时使用水循环控温。

数据分析与误差控制

室温时样品（a）AlNt（b）AlNn测试与模型拟合的Ψ(λ)和Δ(λ)光谱

采用CompleteEASE软件建立四层物理模型（表面粗糙度/HT-AlN层/LT-AlN缓冲层/蓝宝石衬底）对椭偏光谱进行拟合。蓝宝石衬底光学常数取自文献并固定不变，AlN层采用高斯振子与Psemi振子组合描述。通过最小二乘法反复优化，获得膜厚、光学常数（n, k）、表面粗糙度及带隙等参数，拟合优度通过实验曲线与拟合曲线的吻合程度判断。

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结果与讨论

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薄膜厚度与光学常数的椭偏表征

室温下两个样品的拟合光学常数（折射率n和消光系数k）

AlNt和AlNn薄膜样品横截面的SEM形貌图

通过室温椭偏拟合，获得AlNt和AlNn的外延层厚度分别为（1.78±0.04）μm和（3.67±0.05）μm，与SEM结果一致。表面粗糙度分别为（3.07±0.03）nm和（3.58±0.05）nm。室温下两个样品的折射率n与消光系数k随光子能量的变化关系，在带隙附近，k值迅速上升，表明吸收边陡峭，晶体质量较高。

带隙与Urbach带尾的椭偏分析

室温下两个AlN样品外延层(αhν)²和ln(α)与光子能量（hν）的关系图

通过(αhν)²-hν关系图线性拟合得到AlNt和AlNn的带隙分别为（6.11±0.01）eV和（6.10±0.02）eV。基于吸收系数α的指数衰减区域，通过lnα-hν关系拟合得到Urbach带尾能量Eu分别为（50±0.02）meV和（45±0.02）meV。较厚的AlNn样品Eu更小，表明其结构无序度更低、晶体质量更好，与XRD测得的（0002）面半高宽变化趋势一致。

高温变温椭偏揭示带隙热稳定性

高温变温SE测试数据拟合后得到的n和k

在300 K–850 K温度范围内进行变温椭偏测试，获得了n、k及带隙Eg随温度的变化关系。结果显示，随着温度升高，吸收边红移，带隙减小。

通过Bose-Einstein模型拟合Eg-T关系，得到AlNt和AlNn的平均电子-声子耦合能分别为（389±100）meV和（390±102）meV，特征温度分别为（800±154）K和（795±155）K。

与文献中较薄样品（如136 nm样品耦合能为687 meV）相比，本研究中微米级厚度样品的耦合显著减弱，表明厚度增加可有效提升AlN带隙的热稳定性。当厚度达到微米级后，厚度对Eg温度依赖性的影响趋于饱和。

本研究通过光谱椭偏技术，准确表征了不同厚度c面AlN外延薄膜的厚度、光学常数、带隙及Urbach带尾，并结合高温变温测试，系统分析了薄膜厚度对晶体质量与热稳定性的影响。椭偏数据表明，厚度增加可降低薄膜的结构无序度，减小Urbach带尾，并显著弱化电子-声子耦合作用，从而增强带隙在高温下的稳定性。这些结果为面向高温工作的AlN基光电子器件设计与工艺优化提供了关键的薄膜质量评估依据。

Flexfilm全光谱椭偏仪

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全光谱椭偏仪拥有高灵敏度探测单元和光谱椭偏仪分析软件，专门用于测量和分析光伏领域中单层或多层纳米薄膜的层构参数（如厚度）和物理参数（如折射率n、消光系数k）

• 先进的旋转补偿器测量技术：无测量死角问题。
• 粗糙绒面纳米薄膜的高灵敏测量：先进的光能量增强技术，高信噪比的探测技术。
• 秒级的全光谱测量速度：全光谱测量典型5-10秒。
• 原子层量级的检测灵敏度：测量精度可达0.05nm。 

Flexfilm全光谱椭偏仪能非破坏、非接触地原位精确测量超薄图案化薄膜的厚度、折射率,结合费曼仪器全流程薄膜测量技术，助力半导体薄膜材料领域的高质量发展。

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原文参考：《Ⅲ族氮化物半导体薄膜的结构和光学性质研究》

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