GaN/AlN/Si异质结构中热诱导表面修饰的偏振分辨红外光谱研究

《Infrared Physics & Technology》：Polarization-resolved infrared spectroscopy of thermally induced surface modification in GaN/AlN/Si heterostructures

　　摘要：结合温度依赖、偏振分辨的傅里叶变换红外（FTIR）反射光谱和各向异性多层光学建模，研究了GaN/AlN/Si异质结构从室温至400°C的热演化过程。对s-和p-偏振光谱的同时分析表明，标称的GaN/AlN/Si结构无法在保持物理上有意义的介电参数的同时重现所测量的红外响应。引入一个有效热改性表面层，可以一致地描述两个偏振通道，并将本征GaN响应与额外的表面贡献分离开来。所提取的表面层有效光学厚度从低温下的亚纳米尺度增加到300°C以上的约32 nm，同时伴随着其有效振动和介电响应的显著变化。与此同时，下方的GaN层表现出物理上一致的温度依赖的声子软化、阻尼增强，以及具有载流子散射增大和光学推断直流电导率降低特征的Drude自由载流子响应。这些结果表明，偏振分辨红外反射率结合物理约束的多层建模，提供了一种灵敏且非破坏性的方法，能够同时追踪热诱导的表面改性并提取GaN基异质结构的本征振动和自由载流子性质。

引言：氮化镓（GaN）已成为在高电场、高频率和高功率密度条件下运行的技术中的关键半导体[1], [2], [3]。其宽带隙、高临界电场和良好的载流子输运特性使其可用于广泛的电子和光电子应用，包括功率转换、射频电子学、通信系统、光电探测器、发光器件和传感器[4], [5]。GaN与Si的集成尤其具有吸引力，因为它将GaN的功能优势与Si衬底的技术成熟度、可扩展性和相对较低的成本结合在一起[6], [7]。在GaN/Si异质结构中，通常引入AlN缓冲层来适应两种材料之间显著的结构和热机械失配[8], [9]。

在许多此类应用中遇到的严苛工作条件可能使GaN基结构暴露于高温环境[10], [11], [12]。这种热暴露不仅可能影响其本征电子和振动特性，还可能影响其结构和化学稳定性[13]。因此，理解GaN基异质结构在高温下的行为对于评估其在工作条件下的稳定性以及识别可能改变其性质和性能的热激活转变至关重要。特别值得关注的是暴露的GaN表面在加热过程中的演化。由于其直接暴露于周围环境，GaN表面特别容易发生温度诱导的转变[14]。加热可能促进吸附、解吸、氧化、表面重构或局部键合构型的变化等过程，可能产生一个物理性质不同于下方晶体材料的表面区域。即使局限于薄层，此类改性也可能影响表面态、光学和介电性质、钝化、后续加工以及最终GaN基结构的性能和稳定性[15], [16]。因此，表征GaN表面对温度升高的响应从基础和技术角度都具有相关性。

尽管其重要性，GaN基异质结构在热暴露过程中表面介电和振动性质的演化仍未被充分理解。特别是，确定加热时是否形成明显的表面区域以及其有效性质如何随温度演化，需要一种对振动和介电响应变化都敏感的表征方法。红外反射率特别适合这一目的，因为极性半导体的红外响应包含晶格振动、自由载流子和介电性质的信息[17], [18]。GaN和AlN表现出显著的红外活性光学声子响应[19], [20], [21], [22], [23]，而多层异质结构的反射率还取决于其组成层的光学性质和厚度[24], [25]。因此，热诱导的近表面介电响应改性可以产生红外光谱中可测量的变化。偏振分辨测量提供了进一步的信息，因为s-和p-偏振辐射以不同方式探测各向异性介电响应和多层结构[26]。当与适当的多层光学模型结合时，温度依赖的偏振分辨红外反射率可以提供一种非破坏性手段，用于区分组成材料的本征变化与热诱导表面改性相关的额外光学贡献。

在本工作中，温度依赖的s-和p-偏振FTIR反射率测量与各向异性多层光学建模相结合，研究GaN/AlN/Si异质结构从室温到400°C的演化。该分析同时考虑了组成层的振动、介电和自由载流子响应，并允许识别额外的热诱导表面贡献，而无需预先指定其化学成分。通过将该贡献与下方GaN层的本征响应分离，该方法能够确定改性表面区域的有效性质以及GaN本征声子和自由载流子性质的温度演化。

章节片段：实验方法：GaN/AlN/Si异质结构购自MTI公司，并用于研究GaN表面在热暴露下的演化。根据供应商规格，GaN薄膜和AlN缓冲层的标称厚度分别约为500 nm和110 nm，而GaN层的室温电阻率规定低于0.005 Ω·cm。温度依赖和偏振依赖的红外反射率测量使用...（原文此处中断）

多层光学模型：GaN和AlN结晶为纤锌矿结构，原胞包含四个原子。由于纤锌矿晶格的单轴对称性，其红外介电响应本质上是各向异性的。群论预测两种不同的红外活性极性光学声子对称性：平行于c轴的A1模式，和垂直于c轴在基平面内双重简并的E1模式[27]。各向异性...（原文此处中断）

参数优化和拟合过程：进入多层光学模型的参数通过最小二乘拟合计算反射率到测量得到的s-和p-偏振光谱来确定。由于模型包含相对大量可能相关的参数，包括层厚度、介电常数、声子频率和阻尼参数、自由载流子贡献、晶体取向、入射角以及热诱导表面层的性质（下文讨论）...（原文此处中断）

结果与讨论：最初使用样品的标称结构进行分析，该结构由通过AlN缓冲层与Si衬底分离的GaN层组成。尽管允许相关结构和介电参数在上述优化过程中变化，这个GaN/AlN/Si模型无法在保持物理上有意义的参数值的同时，在研究的温度范围内同时重现测量的s-和p-偏振反射率光谱...（原文此处中断）

结论：温度依赖和偏振依赖的FTIR反射率，结合各向异性多层光学建模，用于研究GaN/AlN/Si异质结构从室温到400°C的热演化。对s-和p-偏振光谱的同时分析表明，标称的GaN/AlN/Si模型无法在保持物理上有意义的结构和介电参数的同时一致地重现测量的红外响应。相比之下，引入一个有效的...（原文此处中断）

CRediT作者贡献声明：Rayyan Kilani：软件、调查、数据管理。Michel Kazan：写作——审阅与编辑、写作——初稿、验证、监督、软件、资源、项目管理、方法学、调查、资金获取、形式分析、数据管理、概念化。

利益冲突声明：作者声明，他们没有任何已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。

致谢：作者衷心感谢贝鲁特美国大学大学研究委员会（URB）的财政支持。

Rayyan Kilani|Michel Kazan
贝鲁特美国大学物理系，P.O. Box 11-0236，Riad El-Solh，贝鲁特，1107-2020，黎巴嫩