[发明专利]一种GaN热膨胀系数测量的Raman散射方法

摘要

一种GaN热膨胀系数测量的Raman散射方法，包括以下步骤1）对样品进行划片并取样，并清洗；2）对样品进行变温Raman测试；3）对测试结果进行线性拟合；提取线性拟合斜率和截距。根据提取的结果，结合Gruneisen参数的物理意义，实现对固体材料热膨胀行为的测试和表征；本发明采用了变温Raman散射技术，利用Raman散射获得Raman声子频移与温度之间的关系，能够准确地实现对GaN、AlN和InN及其他III族氮化物外延层薄膜二元及多元合金体系热膨胀行为进行无损检测和表征，避免了一般表征方法中对样品的破坏和较为复杂的公式推导和数学计算；由于对样品的形状和大小没有严格意义上的要求，可方便地对各类半导体类材料的热膨胀行为进行测试，方法简单，易于实现，误差小。

主权项

一种GaN热膨胀系数测量的Raman散射方法，其特征在于，包括如下步骤：第一，对GaN外延层薄膜样品进行取样，并清洗；用金刚石玻璃刀对生长的、直径为2英寸的GaN薄膜样品进行划片、做成大小为1cm×1cm的样品，所述的GaN外延层薄膜进行表面清洁处理，是将a面GaN外延层薄膜放置在真空度5.0×10‑3mbar的CVD炉腔中，在室温条件下通入流量为60～100升/分钟的氮气，去除薄膜表面的划痕和表面附着物；第二，对GaN外延层薄膜样品进行变温Raman测试；将样品放置在Raman散射仪的测试台上，测试面是光洁的、粗糙面是背面；在测试之前在室温下用波长为514.5nm的Ar+激光器进行测试，在偏振模式下，测量GaN外延层薄膜中声子振动模式E2(high)的频移值；首先，对仪器参数进行校准，选择好配套的光栅，通过对标准硅单晶主峰的位置来对光栅的零点位置进行校准，校准完成后采谱测量，测量结束后通过仪器自带软件进行数据处理，先剪掉基线，然后，通过洛伦兹和高斯的混合函数对数据进行拟合，得出峰位和半高宽的信息，Raman散射仪的变温台型号为Linkam‑Examina‑THMS 600，变温范围从83K到503K，步长为52.5K，精度控制在0.1K以内，做低温实验时连上液氮罐，冷却介质采用液氮来进行降温；第三，对测量的变温Raman数据的处理，提取其中的热膨胀系数；1)将样品从Raman测试系统中取出，将测试得到的声子峰频移与温度之间的关系进行线性拟合，获取dω/dT直线斜率，采用以下理论进行分析和处理：根据Gruneisen参数的定义：可知：上式中，V为体积，V0为绝对0K时的体积，ω0为声子本征频移，即绝对0K时的频移；ω为声子频移；根据定义可知，γ为声子峰Gruneisen参数，表征体积的变化引起Raman散射声子峰频移的改变，而体积的变化中包含了与热膨胀相关的行为和信息；2)根据前文的公式V(T)＝V0(1+3αΔT)可知，上式中，T为K氏温度；ΔT为温度的变化；ω0为声子本征频移，即绝对0K时的频移；ω为声子频移；γ为声子峰Gruneisen参数；α为热膨胀系数，其值较小，典型值的数量级为10‑5～10‑6/K，故：ω＝ω0(1+3αT)‑γ≈ω0(1‑3αγT)通过上式可以看到，通过测量一定温度范围内Raman声子频移对温度的关系，进行线性拟合，直线斜率‑3αγω0的数值中，可提取关于材料热膨胀系数α的值。