Ứng dụng của quang phổ Raman trong ngành công nghiệp bán dẫn

Quang phổ Raman có thể dùng để làm gì?

Để phân tích các vật liệu bán dẫn được sử dụng cho bóng bán dẫn, tế bào quang điện, điốt phát quang và các thiết bị bán dẫn khác, quang phổ Raman là lựa chọn tốt nhất. Nó cung cấp thông tin về các đặc tính rung động và điện tử của chất bán dẫn nhạy cảm với chất lượng tinh thể, vi cấu trúc, biến dạng, thành phần hợp kim và mật độ hạt tải điện tự do. Đây là một phương pháp phân tích mạnh hoạt động tốt trong các ứng dụng bán dẫn đòi hỏi khắt khe và phù hợp để mô tả tính đồng nhất của các nguyên liệu thô như Si, SiGe, InGaAs, GaAs, GaN và graphene thể hiện các dải Raman chính xác, khác biệt.

Về bản chất, tán xạ Raman kiểm tra sự phân tán không đàn hồi của các hạt ánh sáng đơn sắc đi vào bởi các dao động nguyên tử của vật liệu (rắn, lỏng hoặc khí). Các chuyển động của nguyên tử trong vật liệu tinh thể được lượng tử hóa (gọi là phonon) và chúng cực kỳ nhạy cảm với các nhiễu loạn bên trong và bên ngoài như pha tạp và ứng suất. Tần số của ánh sáng tán xạ (các photon đi ra) đóng vai trò là một chỉ báo lân cận về việc môi trường có bị nhiễu hay không.

Quang phổ Micro-Raman đã phát triển thành (giống như nhiều phương pháp quang học khác) một công cụ mô tả đặc tính rất hấp dẫn ở cấp độ công nghiệp trong các cơ sở phòng sạch hiện đại. Đây là kết quả của các đặc tính không ma sát và không bị hư hại của nó. Khả năng khám phá cấu hình phức tạp của một chất bán dẫn hoặc thiết bị cụ thể có thể thực hiện được bằng cách sử dụng các bước sóng laser khác nhau.

Hình ảnh Raman

Gần đây, các hệ thống bản đồ Raman đã được chuyển đổi thành các hệ thống hình ảnh Raman sử dụng bộ dò CCD để thu thập dữ liệu nhanh chóng.

Các dạng không gian của các đặc tính vật lý trong chất bán dẫn khe hẹp III-V, chất bán dẫn IV-IV như Ge, Si và kim cương, chất bán dẫn khe rộng bao gồm SiC và AlGaN và các chất bán dẫn khác đã được kiểm tra bằng hình ảnh Raman (ánh xạ).

Đặc điểm của quá trình tăng trưởng tinh thể

Các cơ chế động học, chẳng hạn như sự phát triển của tinh thể, được tiết lộ bằng hình ảnh raman. Kết quả của màng Si mỏng (TSF) được ủ nhiệt trên chất cách điện cung cấp một minh họa tốt cho ứng dụng này (SOI). Các lớp Si được ủ nhiệt trong năm giờ ở 600°C sau khi được hình thành bằng quá trình lắng đọng hơi hóa học ở áp suất thấp sử dụng các nguồn khí silan (SiH4) và disilan (Si2H6). Sử dụng chiếu sáng vạch và dịch giai đoạn mẫu, hình ảnh cường độ của các dải Raman phân cực được đo trên các phim này. Sự nhấp nhô có thể xảy ra do các hạt của màng bị quấn vào nhau tại các biên giới hạt của chúng và có các hướng tinh thể khác nhau. Mặt khác, các mẫu cường độ của màng Si được tạo ra trong pha lỏng thể hiện sự thay đổi đột ngột ở các ranh giới hạt.

Phân bố ứng suất và mật độ hạt tải điện xung quanh micropipes

Các đặc tính cấu trúc và điện của chất bán dẫn bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi các khuyết tật. Phổ Raman có thể được sử dụng để phát hiện các sai sót vì chúng dễ bị ảnh hưởng bởi các đặc điểm này. Hình ảnh Micro-Raman được dự đoán sẽ cung cấp những hiểu biết mới về các loại và vị trí của các lỗ hổng. Hình ảnh Raman cho đến nay đã được sử dụng để đánh giá số lượng sai sót và hư hỏng liên quan đến tăng trưởng trong chất bán dẫn được cấy ghép ion.

Các tinh thể SiC thường có các ống nhỏ, là các dị thường phóng to theo hướng 0001. Hiệu quả của các thiết bị SiC được biết là có những sai sót thuộc loại này. Kính hiển vi quang học phân cực và kính hiển vi Raman đã được sử dụng để phát hiện các ứng suất trong vùng lân cận của micropipes. Bằng cách tăng dần mẫu dưới vạch 0,5 m, hình ảnh Raman hai chiều được tạo ra. Các vị trí cực đại của mỗi phổ được xác định chính xác sau khi khớp tỉ mỉ với hình dạng đường Lorentzian độc đáo.

Điốt và mẫu pha tạp điều chế

Trong các thiết bị tiếp giáp p-n, các vật liệu được hình thành ngoài cấu trúc và hiếm khi trong các chất bán dẫn có tạp chất cao, mật độ hạt tải điện tự do có sự phân bố không đều. Nghiên cứu dạng đường của chế độ LOPC có thể được sử dụng để tính toán nồng độ hạt tải điện tự do. Bằng cách sử dụng hình ảnh micro-Raman, nồng độ hạt tải điện và chuyển động trong các mối nối p-n của điốt GaP đã được xác định.

Các mẫu có mặt (0001) được lấy từ thỏi 4H-SiC đã được nuôi cấy theo hướng (11 00) bằng cách sử dụng kỹ thuật Lely đã sửa đổi. Nguồn khí N2 được bật và tắt nhiều lần để tạo ra pha tạp điều chế, khiến hàm lượng tạp chất có sự phân bố giống như một boxcar. Ánh sáng đường truyền được sử dụng để tạo ảnh Raman một chiều của chế độ LOPC ở nhiệt độ môi trường.