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近日，无码影片 光电材料与器件研究团队博士生杨艳莲与导师合作在三代宽禁带半导体材料 AlN 的高温光学表征及应力调控研究方面取得突破性进展。相关成果在Nature Index著名学术期刊《Applied Physics Letters》上发表了题为“Temperature-dependent Raman spectroscopic studies of AlN epi-films by metal-organic chemical vapor deposition”的研究论文。

AlN 作为超宽禁带半导体材料，广泛应用于深紫外光电器件、SAW 器件、高压功率器件及极端环境传感器。课题组基于金属有机化学气相沉积（MOCVD）制备了厚度分别为 1.8 μm （AlNt）与 3.7 μm （AlNn）的AlN薄膜，通过深紫外–紫外–可见（DUV–UV–Vis）多波段拉曼光谱系统，在 80–810 K 超宽温区对其晶体质量、载流子特性及双轴应力演变进行了系统研究。论文利用空间相关模型（SCM）和纵光学声子–等离子体耦合模型（LOPC），同时对 E₂(high) 和 A₁(LO) 光学声子模式随温度变化的行为进行了精确拟合，获得了薄膜在不同深度、不同温度下的应力状态以及载流子浓度与迁移率变化规律。研究显示，AlN 外延薄膜在低温区（80–300 K）表现为压应力，并随温度升高逐渐减小；但在高温区（429–810 K）应力由压应力转变为拉应力，且随温度升高而显著增加。这一现象与晶格热膨胀行为及声子-声子耦合的非简谐效应密切相关。3.7 μm 厚的 AlN 薄膜整体晶体质量优于 1.8 μm 薄膜，其空间相关长度（L）更大，说明结构更加完整。利用 A₁(LO) 拉曼峰的等离子体耦合分析，课题组构建了光学无损表征 AlN 在高温下载流子浓度与迁移率的新方法。结果表明：载流子浓度 N(T) 在室温附近先下降，而在高温区迅速上升；电子迁移率 μ(T) 在 80–500 K 范围内随温度升高而下降，并在更高温区趋于稳定。该方法为未来 AlN 高温电子器件的材料评价提供了新的技术路径。我们的方法使用光学技术来非破坏性地测定高温载流子浓度和沿外延方向的迁移率，可能为AlN和其他半导体的研究和开发提供有用的方法。 

图1、 分别在(a)266、(b)325和(c)532 nm激发下， AlNt和AlNn的室温拉曼光谱

图2、 AlNt和AlNn的温度依赖关系分别为(a)载流子浓度N，(b)迁移率μ，(c)相关长度L，(d)阻尼常数G0，和(e)层应力σ。

论文链接：//doi.org/10.1063/5.0295710

论文作者：杨艳莲（博士生），Manika Tun Nafisa（Kennesaw State University），冯哲川（Kennesaw State University），汪连山，Jeffrey Yiin（Kennesaw State University），万玲玉，Benjamin Klein（Kennesaw State University），Ian T. Ferguson（Kennesaw State University），孙文红（通讯作者）