Nghiên cứu hằng số quang đàn hồi của 4H-SiC+
PAM-XIAMEN có thể cung cấp chất nền 4H-SiC dẫn điện và bán cách điện cho nghiên cứu thực nghiệm. Để biết thêm thông số kỹ thuật, vui lòng liên hệ[email protected]
Khi đường kính của chất nền cacbua silic (SiC) tiếp tục tăng, tính đồng nhất của biến dạng dư bên trong chúng trở thành yếu tố chính ảnh hưởng đến hiệu suất và độ tin cậy của thiết bị. Các phương pháp phát hiện biến dạng truyền thống như nhiễu xạ tia X và quang phổ Raman có độ chính xác cao, nhưng tốc độ đo chậm và diện tích bị hạn chế khiến chúng không phù hợp với các chất nền có kích thước lớn. Ngược lại, công nghệ quang đàn hồi có ưu điểm là đo trường nhanh và đầy đủ, đặc biệt phù hợp với việc chụp ảnh biến dạng dư của chất nền SiC.
Cốt lõi của công nghệ quang đàn hồi nằm ở việc thu được chính xác hằng số quang đàn hồi. Hằng số này mô tả độ nhạy của vật liệu trước những thay đổi chiết suất khi chịu ứng suất, và là cơ sở vật lý để đạt được sự chuyển đổi định lượng từ phép đo lưỡng chiết sang phép đo ứng suất. Tuy nhiên, nghiên cứu về hằng số quang đàn hồi của 4H-SiC vẫn chưa đầy đủ, đặc biệt là sự biến đổi của nó theo bước sóng chưa được khám phá một cách có hệ thống.
1. Các nguyên tắc cơ bản và định nghĩa cố định của công nghệ quang đàn hồi
Hiệu ứng quang đàn hồi có thể được mô tả bằng định luật quang học ứng suất. Đối với các tinh thể lục giác như 4H-SiC, chúng thể hiện tính đẳng hướng quang học trong mặt phẳng (0001) và hiệu ứng quang đàn hồi có thể được đơn giản hóa như sau:
Trong công thức, Δn là độ lưỡng chiết, σ1−σ2 là hiệu ứng suất chính, π11− π12 là hệ số áp điện, hệ số này cũng có thể được chuyển đổi thành hằng số quang đàn hồi Cσ. Trong các ứng dụng thực tế, ∣p11−p12∣ thường được sử dụng làm tham số đặc tính cho hệ số quang đàn hồi.
2. Phương pháp thí nghiệm và xác định hằng số quang đàn hồi
Việc xác định chính xác hằng số quang đàn hồi là chìa khóa để đạt được phân tích định lượng về ứng suất dư. Các nhà nghiên cứu đã phát triển các phương pháp thử nghiệm khác nhau cho vật liệu 4H-SiC, từ thử nghiệm uốn ba điểm truyền thống đến công nghệ quét cấp độ tấm bán dẫn tiên tiến, cung cấp các giải pháp đa dạng để thu được các thông số quang đàn hồi đáng tin cậy.
2.1 Phương pháp uốn ba điểm và đo đa bước sóng
Fukuzawa và cộng sự. đã tiến hành thí nghiệm uốn ba điểm trên đế 4H-SiC bằng bộ phân cực hình ảnh (xIPS) tự phát triển ở ba bước sóng 630nm, 940nm và 1200nm. Bằng cách đo phân bố lưỡng chiết ∣Δn∣ và kết hợp nó với phân bố ∣σ1−σ2∣ thu được từ mô phỏng phần tử hữu hạn, phân tích hồi quy được thực hiện để thu được ∣p11−p12∣.
Hình 1 Mối quan hệ tuyến tính giữa Δn và σ1−σ2
Kết quả thực nghiệm cho thấy ∣p11−p12∣ lần lượt là 0,040, 0,090 và 0,13 ở 630nm, 940nm và 1200nm, cho thấy hệ số tăng theo bước sóng.
2.2 Hệ thống SIRD và phương pháp tải ly tâm
Hermes và cộng sự. đã tiến hành các thí nghiệm tải xuyên tâm trên (0001) chất nền SiC 4H bằng cách sử dụng bộ khử cực hồng ngoại quét (SIRD) ở bước sóng 1300nm. Bằng cách điều chỉnh lực tải bằng cách thay đổi tần số quay, giá trị tương đương của ứng suất cắt G được đo và hệ số nén (π11−π12)=(−3,3±0,5)×10-13PA−1và hằng số quang đàn hồi Cσ=(−2,8±0,4)×10-12Pa−1có nguồn gốc. Mặc dù mật độ khuyết tật cao và tính không đồng nhất của vật liệu được nghiên cứu dẫn đến sai số tương đối lớn, nhưng các giá trị thu được phù hợp tốt với một số dữ liệu hiện có trong tài liệu và phù hợp làm thông số tiêu chuẩn để phân tích ứng suất định lượng của các tấm bán dẫn tương tự.
Hình 2 Mối quan hệ tuyến tính với (G-G0) và bình phương tần số quay
Bằng cách kết hợp phương pháp uốn ba điểm với phương pháp tải ly tâm SIRD, các nhà nghiên cứu không chỉ thu được các thông số quang đàn hồi chính của 4H-SiC trong phạm vi bước sóng nhìn thấy đến hồng ngoại mà còn thiết lập khả năng phân tích định lượng ứng suất hoàn chỉnh từ các mẫu trong phòng thí nghiệm đến các tấm bán dẫn cấp công nghiệp.
3. Hiện tượng tán sắc bước sóng và sự đánh đổi công nghệ
Fukuzawa và cộng sự. lần đầu tiên tiết lộ một cách có hệ thống hành vi phân tán bước sóng đáng kể của hệ số quang đàn hồi ∣p11−p12∣ trong phạm vi bước sóng nhìn thấy đến hồng ngoại gần. Kết quả nghiên cứu chỉ ra rằng giá trị của hệ số này tăng đơn điệu theo bước sóng và xu hướng này tỷ lệ nghịch với năng lượng photon, một hiện tượng vật lý phổ biến trong tinh thể lập phương và lục giác, phù hợp với kết luận nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm của Adachi về chất bán dẫn III-V.
Hình 3 Xu hướng của ∣p11−p12∣ với sự thay đổi bước sóng
Quan trọng hơn, đường cong phân tán gợi ý rõ ràng rằng giá trị của ∣p11−p12∣ có thể tiến tới 0 ở bước sóng ngắn hơn 630nm. Khám phá này đã có tác động sâu sắc đến ứng dụng thực tế của công nghệ hình ảnh quang đàn hồi, vì nó trực tiếp đưa ra sự cân bằng cốt lõi giữa độ nhạy quang đàn hồi và tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu (SNR) đo lường. Khám phá này có ý nghĩa hướng dẫn quan trọng đối với việc lựa chọn bước sóng trong hình ảnh quang đàn hồi:
Bước sóng ngắn: Năng lượng photon cao, SNR tuyệt vời, giúp phát hiện các tín hiệu yếu hơn; Tuy nhiên, độ nhạy của quang đàn hồi thấp và phản ứng quang học được tạo ra dưới cùng một ứng suất là rất nhỏ, điều này không có lợi cho việc định lượng chính xác biến dạng;
Bước sóng dài: độ nhạy cao với độ đàn hồi quang học, cải thiện đáng kể độ nhạy phát hiện ứng suất/căng thẳng; Nhưng SNR kém và để thu được các tín hiệu có thể đo được, có thể cần thời gian phơi sáng lâu hơn hoặc nguồn sáng có công suất cao hơn, điều này có thể ảnh hưởng đến tốc độ đo hoặc gây ra hiệu ứng nhiệt trên mẫu.
Do đó, cần phải đạt được sự cân bằng giữa độ nhạy và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm trong các ứng dụng thực tế. Nghiên cứu trong tương lai có thể được mở rộng hơn nữa đến phạm vi bước sóng ngắn hơn hoặc dài hơn, kết hợp với các mẫu có mật độ khuyết tật thấp, để cải thiện độ chính xác của phép đo và tối ưu hóa chiến lược lựa chọn bước sóng cho hệ thống hình ảnh.
Cho dù bạn cần wafer 4H-SiC cho nghiên cứu hay cho các ứng dụng công nghiệp, vui lòng liên hệ với chúng tôi qua email tại[email protected] và [email protected].
Tài liệu tham khảo:
- Fukuzawa, M., & Kudo, N. (2023). Nghiên cứu thực nghiệm về hệ số quang đàn hồi và sự phân tán bước sóng của nó để chụp ảnh định lượng biến dạng dư trong chất nền sic thương mại. Tạp chí Vật liệu Điện tử, 52(8), 5172-5177.
- Herms, M., Irmer, G., Spira, S., & Wagner, M. (2021). Hằng số quang đàn hồi của cacbua silic (0001) 4H được xác định bằng phương pháp quét phân cực hồng ngoại. trạng thái vật lý rắn (a), 218(23), 2100198.