آنالیز نیمه رساناهای ترکیبی به کمک طیف سنجی رامان
نیمه‌رساناهای ترکیبی به دلیل دارا بودن خواص منحصر به فرد، گروه مهمی از مواد نیمه رسانا را تشکیل می‌دهند. حرکت الکترون‌ها در این نیمه‌رساناها نسبت به سیلیکون سریع‌تر است که امکان پردازش را با سرعت بیشتری از سیلیکون فراهم می‌سازد. این نیمه‌رساناها در توسعه دستگاه‌های اپتوالکترونیکی مورد استفاده در سیستم‌های ارتباطات نوری، سلول‌های خورشیدی و ذخیره‌سازی داده با چگالی بالا نقش حیاتی دارند. همچنین، این نیمه‌رساناها قابلیت تابش و دریافت نور، تولید مایکروویو و حساسیت مغناطیسی دارند. علاوه بر این، نیمه‌رساناهای ترکیبی با ولتاژ کمتری کار می‌کنند و در برابر گرما مقاوم هستند.
به طور کلی، نیمه رساناهای ترکیبی ساختارهایی هستند که از ترکیب دو یا چند عنصر ساخته شده‌اند. اکثر این ساختارها مانند GaN و AlGaN ترکیبی از عناصر گروه سوم و پنجم جدول تناوبی هستند. گروهی دیگر از نیمه رساناهای مرکب مانند ZnSe از ترکیب عناصر گروه دو و شش جدول تناوبی ساخته می‌شوند. همچنین می‌توان از عناصر مختلف درون یک گروه برای ساختن نیمه رساناهای مرکب مانند SiC استفاده کرد. در طول دهه گذشته، نیمه هادی‌های ترکیبی توجه زیادی را به خود جلب کرده‌اند. این ترکیبات خصوصیات منحصر به فردی دارند که آن‌ها را برای طیف وسیعی از کاربردها مناسب می‌کند. با توجه به اهمیت این ترکیبات، یک روش دقیق و سریع برای آنالیز آن‌ها مورد نیاز است. برای این منظور طیف سنجی رامان انتخاب بسیار مناسبی است.
میکروسکوپ رامان یک ابزار مشخصه‌یابی غیر تهاجمی و غیرمخرب است که اطلاعاتی در مورد ساختار ارتعاشی، کریستالی و الکترونیکی مواد ارائه می‌دهد. هنگام اندازه‌گیری نیمه‌رساناهای ترکیبی، می‌توان از این سیستم برای جمع‌آوری طیف‌های رامان و فوتولومینسانس (PL) استفاده کرد. طیف سنجی رامان اطلاعاتی در مورد ساختار شیمیایی، درصد آلیاژ، تنش و کرنش، غلظت ناخالصی، ضخامت لایه نازک، توپوگرافی و دمای نمونه فراهم می‌کند. به علاوه، این روش اطلاعاتی در رابطه با نوع و جهت‌گیری ساختار بلوری، کیفیت کریستال و سطوح نقص، یکنواختی نمونه و شناسایی آلودگی‌ها ارائه می‌دهد.
در این قسمت قصد داریم به کاربرد طیف سنجی رامان در آنالیز تعدادی از نیمه رساناهای ترکیبی مهم مانند GaN و AlGaN بپردازیم و با این روش پارامترهای مختلف آن‌ها را بررسی کنیم.
ارزیابی ساختارهای ناهمگن AlGaN/GaN
میکروسکوپ رامان می‌تواند به عنوان یک ابزار کنترل کیفی برای بررسی ویفرها استفاده شود. به عنوان مثال در این قسمت یک نمونه ویفر با سیستم رامان کانفوکال آنالیز شده است. این ویفر از یک لایه ۳۰ نانومتری Al۰.۲۸Ga۰.۷۲N بر روی یک لایه ۲ میکرومتری GaN تشکیل شده است. این ساختار بر روی یک بستر یاقوت ۳۰۰ میکرومتری رشد کرده است. عمق آنالیز شده توسط طیف سنجی رامان به طول موج تحریک بستگی دارد. شکل ۲ و شکل ۳ طیف‌های رامان و فوتولومینسانس لایه‌های مختلف ساختار را با استفاده از طول موج‌های تحریک ۲۶۶ و ۵۳۲nm نشان می‌دهد. لیزر تحریک ۵۳۲nm عمق نفوذ ۱/۵ میکرومتری دارد که برای آنالیز لایه GaN استفاده می‌شود. لیزر تحریک UV با طول موج ۲۶۶nm عمق نفوذ ۲۰ نانومتری دارد که امکان اندازه‌گیری لایه فوق نازک AlGaN را فراهم می‌کند. آنالیز این مدها می‌تواند کیفیت کریستال، تنش، غلظت حامل آزاد و مقدار آلومینیوم را اندازه‌گیری نماید.
یکی دیگر از مزایای میکروسکوپ رامان این است که همزمان با اندازه‌گیری‌های رامان، توپوگرافی نمونه نیز اندازه‌گیری می‌شود و امکان تعیین کمان ویفر را فراهم می‌کند. این موضوع در شکل ۴ نشان داده شده است.
آنالیز میکروساختار سه بعدی و مشخصه‌یابی تنش ساختارهای جدید GaN
پارامتر (Threading dislocation) در GaN برای حامل‌های نور و بار به عنوان مراکز پراکندگی عمل می‌کند و عملکرد را در دستگاه‌های اپتوالکترونیکی مانند LEDها مختل می‌کند. درک بهتر و مشخصه‌یابی توزیع فضایی این پارامتر امکان رشد بهینه لایه را با استفاده از روش‌های جدیدتر فراهم می‌کند. در اینجا میکروساختار و تنش را در یک نمونه مشخصه‌یابی می‌کنیم. اندازه‌گیری‌های رامان با استفاده از میکروسکوپ رامان کانفوکال مجهز به یک منبع تحریک لیزری ۵۳۲ نانومتر با توان ۱۵۰mW انجام می‌شود. شکل ۵ طیف جمع آوری شده از نمونه را نشان می‌دهد. با بررسی موقعیت پیک باند رامان E۲، می‌توان توزیع تنش در نمونه را با تغییر ۲/۷cm-۱ مربوط به فشار ۱ گیگاپاسکال بررسی کرد.
با فوکوس لیزر در محدوده‌ای از عمق، داده‌های رامان سه‌بعدی از نمونه جمع‌آوری شد (شکل ۶). تصاویر شدت رامان به وضوح میکروساختار نمونه را نشان می‌دهد. موقعیت پیک باند E۲ به سمت مقدار بدون تنش در سطح حرکت می‌کند. در عمق ۵- میکرومتر ارتباط واضحی بین میکروساختار (تصویر شدت) و توزیع تنش وجود دارد. بنابراین سیستم رامان پتانسیل بسیار خوبی برای آنالیز این موارد دارد.
همانطور که در شکل ۷ نشان داده شده است، با نزدیک شدن به سطح، تغییر موقعیت پیک در لایه ثابت‌تر می شود و به سمت مقدار بدون تنش مورد انتظار تغییر می‌کند. این امر نشان می‌دهد که ساختار جدید با متمرکز کردن تنش در لایه منجر به کاهش مقدار تنش می‌شود. موقعیت پیک به سمت مقدار بدون تنش، ۵۶۷/۵cm-۱ تغییر می‌کند و هنگام حرکت از توده به سطح نمونه، توزیع تیزتر می‌شود.
جمع‌بندی
نیمه‌رساناهای ترکیبی به دلیل خواص منحصر به فردشان، قادر به انجام کارهایی هستند که به سادگی با سیلیکون امکان‌پذیر نیست. در این مطلب دریافتید که چگونه می‌توان از میکروسکوپ رامان برای بررسی خواص نیمه هادی‌های مرکب از جمله ترکیب شیمیایی، تنش/کرنش، ساختار کریستالی، عیوب و فوتولومینسانس استفاده کرد. در واقع سیستم‌های رامان یکی از ابزارهای قدرتمند برای بررسی چالش‌‌های موجود در حوزه نیمه رساناهای ترکیبی هستند. چنان چه در حوزه نیمه رسانا فعالیت می‌کنید و در مورد این آنالیز نیاز به اطلاعات بیشتری دارید، می‌توانید با کارشناسان شرکت تکسان در تماس باشید.
منابع
۱-https://zaya.io/ktrkp
