椭偏仪精准“把脉”AlN晶体质量：带隙、无序度与表面形态一览无余

冯哲川教授团队发表了关于物理气相传输法（Physical Vapor Transport，PVT）制备AlN晶体的深入研究。本研究巧妙地综合利用可变角度光谱椭偏仪、拉曼光谱与原子力显微镜等表征手段，揭示了c面与m面AlN晶体的本质特性差异。其中，椭偏仪作为核心表征手段，为评估晶体质量提供了关键、多维度的量化证据。研究成果以“Temperature-Dependent Raman Scattering and Correlative Investigation of AlN Crystals Prepared Using a Physical Vapor Transport (PVT) Method"为题，发表在《Photonics》杂志上。doi.org/10.3390/photonics11121161

一、成果简介

氮化铝因其超宽禁带等优异特性，是深紫外光电子与高温高功率器件的理想材料。物理气相传输法是目前制备块体AlN晶体的主流方法，然而，如何快速、准确、无损地综合评价晶体质量（如光学带隙、结构无序度、表面状态等）仍是研究的关键难点。

冯哲川教授团队利用武汉颐光科技的ME-L可变角穆勒矩阵椭偏仪，对PVT法制备的c面与m面AlN晶体进行了量测，清晰揭示了不同晶面取向晶体的质量差异及其温度演化规律。其中，武汉颐光科技售后团队提供了相关的数据建模分析支持。

要点一：椭偏仪精准确定光学带隙，确认材料本征特性

研究团队首先利用可变角光谱椭偏仪在193-1650nm光谱范围及多角度下测量了样品的椭偏参数（Ψ, Δ），并通过建模拟合，得到的AlN晶体折射率(n)、消光系数(k)。

研究发现，折射率n在197.5nm（6.278ev）处出现拐点，同时消光系数k在此能量处发生陡变。这共同表明AlN的带隙能量约为6.2ev，与理论值高度吻合，从光学本质特性上证明了所制备晶体材料的高质量。

要点二：诊断Urbach

通过对吸收边以下的带尾状态进行分析，利用公式绘制Tauc图，外推得到带隙，如图1。

图1 不同氮化铝晶体的Tauc曲线图

通过Urbach规则1/Eu=d（lnα）d（hv）计算了Urbach能量Eu，如图2所示。分析表明所有样品Eu值均在85.0±0.3meV范围内。该值是表征晶体结构无序度和缺陷密度的灵敏探针，此结果证明这些PVT-AlN晶体具有较高的结晶质量。它与Tauc图相辅相成，共同提供了材料光学性质的完整图像：Tauc图给出了“理想"带隙值，而乌尔巴赫图则揭示了材料在原子尺度的不wan美程度。

图2 三种AIN晶体的Inα相对于光子能量（ev）的变化关系

要点三：椭偏仪量化表面粗糙度

在椭偏光学建模中，表面粗糙度是一个关键的物理参数，拟合结果表明质量优的c面晶体AlNa表面粗糙度：8.07 nm，m面晶体AlNb表面粗糙度：41.1 nm，另一c面晶体AlNc表面粗糙度：6.86 nm。该结果与AFM形貌观测结果高度一致，充分证明了椭偏仪在快速、无损评估表面形态方面的较强能力，可作为AFM的有效补充甚至替代方案进行初步快速筛查。

本项研究系统性地展示了可变角度光谱椭偏仪在宽禁带半导体体材料表征中的优秀且不可替代的能力。它已超越传统的膜厚测量，成为一套较强的“全息"诊断系统，能够一次性、无损地精准获取光学带隙、结构无序度及表面形貌等多维量化信息。

该工作明确证实了PVT法生长的c面AlN晶体在综合质量上优于m面晶体。将高效的椭偏筛查与深入的拉曼分析相结合，构成了研究和开发高性能半导体材料及其器件的较强方法，将有力推动材料研发从“经验摸索"走向“精准设计"。

二、颐光可变角穆勒矩阵椭偏仪