GaN外延材料厚度的主要测量方法

GaN外延材料厚度的主要测量方法
1 X射线双晶衍射法
2 基于反射谱的薄膜厚度测量法
3 基于透射谱的薄膜厚度测量法
4 红外干涉法测量薄膜厚度
1 X射线双晶衍射法
X射线双晶衍射法采用GaN外延膜衍射峰的积分强度和衬底衍射峰的积分强度的比值与样品厚度的线性关系来测量GaN外延膜的厚度。

对GaN外延膜的某个衍射而言，通常在GaN 样品厚度t<2μm时，GaN外延膜衍射峰的积分强度和衬底衍射峰的积分强度的比值与外延膜的厚度成很好的线性关系。

因此，在实际测量中，只要分别测量GaN外延膜的0002衍射峰的积分强度和蓝宝石衬底0006衍射峰的积分强度，然后算出两者的比值，就可以推算出GaN外延膜的厚度。

图1 X射线衍射光程示意图
中国科学院半导体研究所的冯金、朱建军等人利用X射线双晶衍射法对GaN外延层厚度进行了测试。

图1为GaN外延膜衍射峰的积分强度与外延膜厚度的关系。

由图1可见，当t<1μm时，该积分强度与厚度为线性关系（如虚线所示）；而当t>1μm时，积分强度与厚度已经偏离线性关系，样品的吸收影响越来越大。

进一步采用GaN外延膜衍射峰的积分强度和衬底衍射峰的积分强度的比值与样品厚度的关系来测量GaN外延膜的厚度，结果如图2所示。

由图2可见，该比值与GaN厚度成很好的线性关系，与理论计算计算结果一致。

图2 GaN外延膜厚度与其积分强度关系 GaN和衬底积分强度比值与GaN延膜关系
该测量方法对GaN外延膜的结晶质量要求不高。

同时消除了因GaN吸收造成的影响，比单纯用GaN外延膜衍射峰的积分强度与样品厚度的关系测量GaN外延膜厚度精度更高，更方便可靠。

因此，该测量方法是一种快捷、准确和具有非破坏性的GaN外延膜的常规测量方法。

2 基于反射谱的薄膜厚度测量法
该测量方法用可见光-紫外光分光光度计对GaN外延膜的反射谱进行测量。

其原理图如图3所示。

光束在以入射角θ1照射到晶体表面，一部分直接反射，另一部分则发生折射进入GaN晶体，折射角为θ2，入射光束在Si表面反射后再次折射后形成反射光2与反射光1发生干涉。

因此，只要测出GaN外延膜的反射谱曲线，用一对相邻波峰和波谷对应的光子波长，就可以计算出GaN薄膜的厚度。

在实际应用时，可以从反射谱曲线上选取多组波峰和波谷对应的的波长数据，得到多个GaN厚度的数值，然后取其平均值，从而减小测量误差。

同时，还需要对GaN的折射率n2进行修正，从而更加精确的测量出GaN薄膜的厚度。

图3 反射谱干涉模型
西安电子科技大学微电子研究所的张永刚利用基于反射谱的GaN薄膜厚度测量法对GaN 外延层的厚度进行了测试。

通过该测量方法，得到GaN外延膜厚度及相对偏差，如表1 所示。

在表1中，通过相邻的波峰波谷计算出的厚度的绝对偏差可以看出，该测量方法计算出的薄膜厚度是比较接近实际值。

表中使用的相对偏差是表征不同相邻波峰、波谷组合得到的薄膜厚度的一致性，而非测量值和实际值的误差，这种一致性越好即相对偏差越小，就表示多点平均法得到的厚度越准确。

表中2.04% 的总平均相对偏差说明文中的计算方法一致性还是比较高的。

GaN外延膜厚度及偏差表1
该测量方法在保持的操作简单快速的基础上，具有对非透明衬底生长的GaN 薄膜进行光学晶体质量和薄膜厚度测量的功能。

同时，由于该测量方法基于晶体薄膜干涉效应，就要求GaN外延膜的上下表面平整。

3 基于透射谱的薄膜厚度测量法
该测量方法是利用可见光-紫外光分光光度计测得蓝宝石衬底异质外延GaN 薄膜的透射谱曲线。

透射谱干涉效应的基本原理如图4所示。

透射光1 是入射光直接透过晶体薄膜,而透射光2 是入射光在GaN 薄膜中经过两次反射后获得的透射光。

GaN 薄膜中多次反射(两次以上) 产生的透射光在整个透射光中所占的比例非常低,可以忽略。

由于蓝宝石衬底比GaN 薄膜厚得多,GaN 薄膜厚度通常在0.5-5.0μm 之间,而蓝宝石衬底的厚度通常为330μm ,因此蓝宝石两界面反射获得的透射光由于光程的成倍增加而变得非常微弱,也可以忽略。

所以,透射谱曲线的干涉条纹主要是直接透射光和GaN 薄膜中两次反射后的透射光两种分量。

因此，测出透射谱曲线，用一对相邻波峰和波谷对应的光子波长，就可以计算出GaN
薄膜的厚度。

在实际应用时，可以从透射谱曲线上选取多组波峰和波谷对应的的波长数据，得到多个GaN厚度的数值，然后取其平均值，从而减小测量误差。

同时，为了使透射谱干涉效应确定的薄膜厚度更加准确，需要在计算过程中考虑GaN晶体的折射率随光子波长变化的影响。

图4 薄膜干涉效应原理
西安电子科技大学微电子研究所的张进城、郝跃等人利用基于透射谱的GaN薄膜厚度测量法对GaN外延层的厚度进行了测试。

通过紫外光分光光度计测得蓝宝石衬底异质外延GaN 薄膜的透射谱曲线如图5所示。

同时用该方法计算得到透射谱曲线对应的GaN外延膜厚度如表2所示。

薄膜厚度为960nm，不同波峰、波谷确定的薄膜厚度相对偏差的平均值为6.7%。

图5 蓝宝石衬底外延GaN薄膜的透射谱曲线
考虑折射率变化确定的薄膜厚度表2
当GaN 薄膜厚度在0.5-5.0μm范围内时，由透射谱干涉效应确定的GaN 晶体薄膜厚度比较准确，实用性很强。

而目前大多GaN 晶体薄膜都是在蓝宝石和SiC衬底上异质外延得到的，厚度也在上述适用范围内。

同时，异质外延得到的GaN 晶体薄膜并不是完美的晶体，GaN 薄膜中与衬底相邻的GaN 过渡层晶体很不完整，越到表面晶体质量越高，晶体质量的不同会影响折射率的数值。

4 红外干涉法测量薄膜厚度
红外干涉法是利用在外延层表面入射的光反射后所呈现的红外干涉条纹，然后根据这些干涉条纹计算而得厚度的。

但这样的干涉必须在一定的条件下进行。

如外延层的表面要求平整、光亮，外延层厚度均匀，且主要由于产生干涉必须使反射既产生于外延层的表面，又产生于外延层衬底的交界面上，这样就要求外延层内载流子浓度足够低，使相当大一部分入射光透过，而衬底则有较高的载流子浓度，使其与外延层的光学常数有较大的差别，这样透入外延层的光就能在衬底与外延层的交界面上产生反射。

那么，外延层表面反射的光和透过外延层在衬底和外延层界面上出来的光就产生干涉。

薄膜的红外反射原理图如图6所示。

图6 薄膜的红外反射原理图
上海市计量测试管理局资料室利用红外干涉法对GaAs外延层厚度进行了测试。

用H800红外分光光度计测得干涉条纹谱线，如图7所示。

在图2上，有A、B、C、D四个干涉峰。

图7 红外干涉条纹谱线
红外干涉法是一个非破坏性的测量薄膜厚度的方法，利用小的测试面积测量其外延层上
若干点的厚度。

但是该测量方法必须在一定的条件下进行。

要求外延层的表面平整、光亮，外延层厚度均匀，同时要求外延层内载流子浓度足够低，而衬底则有较高的载流子浓度。