拉曼光谱在半导体材料ZnSe异质结构的应用

在半导体产业，拉曼光谱仪能够协助业者研究半导体材料的基本特性。包含单一元素的半导体，如矽(Si)、锗(Ge)，以及多成份组成的半导体，如硒锌(ZnSe)、镓砷(GaAs)半导体。在材料制造阶段，这些半导体材料的特性，将决定接下来晶圆制造、IC封装这些制程的品质，本阶段是最为重要的步骤。

在晶圆制造的过程中，使用拉曼光谱仪作为制程分析与品质控管的工具，将有利于提高产品的品质，提高良率进而提高整体产量。

目前拉曼光谱仪在半导体产业常见的应用包括：

l材料纯度

l污染物鉴定

l合金成份

l超晶格结构

l本质应力＆应变的特性因素

l缺陷分析

l半导体异质结构

l异质接面的掺杂效应

ZnSe是什么？

ZnSe是一种典型的II一Ⅵ族半导体材料，为闪锌矿结构，具有直接带隙，室温下（300K)的禁带宽度为2.698eV，在低温(<10K)下，其禁带宽度为2.821ev，对应于波长459.4nm的蓝光。

ZnSe的应用与研究

ZnSe粉末在高真空中的热蒸发已得到应用。在室温下将一系列厚度在30nm和1µm之间的ZnSe单层沉积在c-Si和玻璃基板上。此外，研究了用相同的沉积技术制备的SiOx/ZnSe周期性多层膜，ZnSe层厚度为2和4nm。使用He-Cd激光器的442nm线以及Ar+或Ar+/Kr+激光器的不同线在295K下测量拉曼光谱。观察到的拉曼特征与多个光学声子（1LO到4LO）光散射有关，并且与ZnSe单层和多层的随机取向的结晶ZnSe晶粒的存在有关。已经观察到1LO带的相对较大的线宽(≈15cm-1)，这与晶粒中的晶格畸变和薄于100nm的层中存在非晶相有关。

拉曼分析

所有测量均在室温下在空气中进行。绘制在同一图表上的所有光谱都以相同的比例缩放。

图1在三种激光激发下测量的厚度为1µm(a)和30nm(b)的ZnSe单层和SiOx(4nm)/ZnSe(4nm)多层(c)的拉曼光谱

图1a显示了沉积在Corning7059玻璃基板上的厚度为1µm的ZnSe层的三个拉曼光谱。可选用国产拉曼领头羊~奥谱天成的拉曼光谱仪。在接近共振拉曼散射条件的激发条件下得到更好的分辨。当激发光接近材料的光学带隙E_g⁰时，观察到拉曼信号的最强增强。由于1LO波段是457.9nm谱线激发的拉曼光谱中最密集的，因此该谱线的能量应该接近光学带隙。这与先前的结果一致，这些结果表明对于1µm厚的ZnSe层的光学带隙，光学吸收遵循晶体半导体中直接允许的电子跃迁的定律。

图1b和1c分别显示了厚度为30nm的ZnSe层和SiOx(4nm)/ZnSe(4nm)多层的拉曼光谱。两个样品都沉积在c-Si基板上，观察到的强窄带在521cm-1处达到峰值，这是由于基板的散射造成的。1LOZnSe带强度随着激发波长的减小而增加，并且仅在457.9nm线激发的光谱中可以看到一系列4个峰。实际上，使用442nm线通过拉曼光谱对SiOx/ZnSeML（具有2到10nm之间的各种厚度）进行表征，在拉曼光谱中显示出共振行为。它与尺寸引起的带隙能量随层厚度的变化有关。

 图2使用442nm激发光测量四种不同厚度（如图所示）的ZnSe单层的拉曼光谱。

图2描绘了使用442nm激光线测量的一系列厚度在30和100nm之间的ZnSe单层的拉曼光谱。30nm层的1LO带的强度明显高于其他样品，拉曼结果表明，由于晶粒尺寸小，厚度小于50nm的ZnSe层可以显示出良好的化学敏感性。

总结

拉曼光谱的应用，以便使用逐步热真空蒸发对在室温下沉积的薄和超薄ZnSe层进行结构表征。用三个不同的Ar+激光线在激发下进行的测量表明，当用457.9nm线激发时，与层厚度无关，1LO带强度显示出最大值。

用442nm线进行的测量表明，它的能量比457.9nm线的能量更接近最薄单层中的晶粒和ML中的ZnSe层的光学带隙。这一观察表明载流子受限，并暗示这些层中的晶粒尺寸约为10nm。

推荐仪器

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