馮哲川教授團(tuán)隊發(fā)表了關(guān)于物理氣相傳輸法（Physical Vapor Transport，PVT）制備AlN晶體的深入研究。本研究巧妙地綜合利用可變角度光譜橢偏儀、拉曼光譜與原子力顯微鏡等表征手段，揭示了c面與m面AlN晶體的本質(zhì)特性差異。其中，橢偏儀作為核心表征手段，為評估晶體質(zhì)量提供了關(guān)鍵、多維度的量化證據(jù)。研究成果以“Temperature-Dependent Raman Scattering and Correlative Investigation of AlN Crystals Prepared Using a Physical Vapor Transport (PVT) Method"為題，發(fā)表在《Photonics》雜志上。doi.org/10.3390/photonics11121161

一、成果簡介

氮化鋁因其超寬禁帶等優(yōu)異特性，是深紫外光電子與高溫高功率器件的理想材料。物理氣相傳輸法是目前制備塊體AlN晶體的主流方法，然而，如何快速、準(zhǔn)確、無損地綜合評價晶體質(zhì)量（如光學(xué)帶隙、結(jié)構(gòu)無序度、表面狀態(tài)等）仍是研究的關(guān)鍵難點。

馮哲川教授團(tuán)隊利用武漢頤光科技的ME-L可變角穆勒矩陣橢偏儀，對PVT法制備的c面與m面AlN晶體進(jìn)行了量測，清晰揭示了不同晶面取向晶體的質(zhì)量差異及其溫度演化規(guī)律。其中，武漢頤光科技售后團(tuán)隊提供了相關(guān)的數(shù)據(jù)建模分析支持。

要點一：橢偏儀精準(zhǔn)確定光學(xué)帶隙，確認(rèn)材料本征特性

研究團(tuán)隊首先利用可變角光譜橢偏儀在193-1650nm光譜范圍及多角度下測量了樣品的橢偏參數(shù)（Ψ, Δ），并通過建模擬合，得到的AlN晶體折射率(n)、消光系數(shù)(k)。

研究發(fā)現(xiàn)，折射率n在197.5nm（6.278ev）處出現(xiàn)拐點，同時消光系數(shù)k在此能量處發(fā)生陡變。這共同表明AlN的帶隙能量約為6.2ev，與理論值高度吻合，從光學(xué)本質(zhì)特性上證明了所制備晶體材料的高質(zhì)量。

要點二：診斷Urbach

通過對吸收邊以下的帶尾狀態(tài)進(jìn)行分析，利用公式繪制Tauc圖，外推得到帶隙，如圖1。

圖1 不同氮化鋁晶體的Tauc曲線圖

通過Urbach規(guī)則1/Eu=d（lnα）d（hv）計算了Urbach能量Eu，如圖2所示。分析表明所有樣品Eu值均在85.0±0.3meV范圍內(nèi)。該值是表征晶體結(jié)構(gòu)無序度和缺陷密度的靈敏探針，此結(jié)果證明這些PVT-AlN晶體具有較高的結(jié)晶質(zhì)量。它與Tauc圖相輔相成，共同提供了材料光學(xué)性質(zhì)的完整圖像：Tauc圖給出了“理想"帶隙值，而烏爾巴赫圖則揭示了材料在原子尺度的不wan美程度。

圖2 三種AIN晶體的Inα相對于光子能量（ev）的變化關(guān)系

要點三：橢偏儀量化表面粗糙度

在橢偏光學(xué)建模中，表面粗糙度是一個關(guān)鍵的物理參數(shù)，擬合結(jié)果表明質(zhì)量優(yōu)的c面晶體AlNa表面粗糙度：8.07 nm，m面晶體AlNb表面粗糙度：41.1 nm，另一c面晶體AlNc表面粗糙度：6.86 nm。該結(jié)果與AFM形貌觀測結(jié)果高度一致，充分證明了橢偏儀在快速、無損評估表面形態(tài)方面的較強能力，可作為AFM的有效補充甚至替代方案進(jìn)行初步快速篩查。

本項研究系統(tǒng)性地展示了可變角度光譜橢偏儀在寬禁帶半導(dǎo)體體材料表征中的優(yōu)秀且不可替代的能力。它已超越傳統(tǒng)的膜厚測量，成為一套較強的“全息"診斷系統(tǒng)，能夠一次性、無損地精準(zhǔn)獲取光學(xué)帶隙、結(jié)構(gòu)無序度及表面形貌等多維量化信息。

該工作明確證實了PVT法生長的c面AlN晶體在綜合質(zhì)量上優(yōu)于m面晶體。將高效的橢偏篩查與深入的拉曼分析相結(jié)合，構(gòu)成了研究和開發(fā)高性能半導(dǎo)體材料及其器件的較強方法，將有力推動材料研發(fā)從“經(jīng)驗摸索"走向“精準(zhǔn)設(shè)計"。

二、頤光可變角穆勒矩陣橢偏儀