近日，复旦大学工程与应用技术研究院（以下简称“工研院”）超越照明研究所宽禁带半导体团队樊嘉杰青年研究员在国际光学著名期刊《Laser & Photonics Reviews》(中科院1区)上发表研究性成果：Prediction of Temperature-Dependent Stress in 4H-SiC Using In Situ Nondestructive Raman Spectroscopy Characterization。

该工作的第一作者为工研院超越照明研究所2023级博士生杨舟栋，工研院超越照明研究所樊嘉杰青年研究员、唐红雨青年副研究员和信息科学与工程学院张荣君教授为论文共同通讯作者。复旦大学工研院为第一通讯单位，美国拉马尔大学、荷兰代尔夫特理工大学、复旦大学宁波研究院宽禁带半导体材料与器件研究所参与合作研究。该工作得到了国家自然科学基金（面上项目）、广东省基础与应用基础研究基金以及浙江省博士后科研基金等项目的资助。

【论文概要】

4H-SiC作为一种优异的宽带隙半导体材料，在电力电子领域展现出巨大潜力。然而，其高弹性模量和硬度在制造过程中常常导致不可避免的高残余应力，对器件性能和可靠性构成挑战。拉曼光谱技术虽具备无损检测应力的优势，但现有研究主要聚焦于室温条件，难以应对温度变化对峰位、峰宽（FWHM）及峰强度的复杂影响，从而阻碍了高温下残余应力的精准评估。

为了解决这一难题，本研究构建了一套全新的4H-SiC拉曼-应力预测模型，实现了温度效应与应力效应的有效解耦。其核心亮点包括：

1. 通过原位变温拉曼光谱实验，在30°C至530°C范围内精确获得温度校正因子；

2. 利用分子动力学（MD）模拟，揭示了4H-SiC弹性模量随温度变化的规律，从而优化了传统拉曼-应力关系；

3. 借助有限元模拟（FEM），精确确定了面内应力分量进一步简化了模型构建。

这一研究为高温环境下4H-SiC热应力的无损检测提供了一种新思路，也为相关器件在严苛工作条件下的性能优化和可靠性提升奠定了坚实基础。

【研究进展】

图1 4H-SiC在30°C至530°C温度范围内的原位拉曼光谱测量结果及主要峰强度随温度变化的关系，

其中：（a）衬底；（b）无缓冲层同质外延；（c）有缓冲层同质外延。

本研究首先通过原位变温拉曼光谱表征发现：在30–530°C范围内三种4H-SiC样品的拉曼峰均随温度升高呈现红移，但光学声子振动模式（E2(TO)和A1(LO)）红移更明显且强度下降，而声学声子模式（E2(TA)）则呈现较小红移且强度增强，显示出不同振动模式对温度变化的独特响应机制。

图2 E2(TO)的半峰宽随温度演变及声子寿命与温度的拟合关系。（a）衬底；（b）无缓冲层外延层；（c）有缓冲层外延层的E2(TO)线宽拟合结果；（d）各样品E2(TO)声子寿命随温度的变化。

其次，利用E2(TO)声子模式的温度依赖性，采用四声子衰减模型和能量-时间不确定性原理计算得到：随着温度升高，声子寿命缩短，但不同样品间无显著差异，表明4H-SiC外延保持了较高的晶体质量。

图3 （a）利用分子动力学模拟研究4H-SiC弹性模量随温度变化的趋势；（b）有限元模拟揭示了30–530°C范围内不同尺寸4H-SiC样品的轴向应力分量之比。

进一步，通过分子动力学模拟结果显示：随着温度升高，4H-SiC晶体的弹性模量逐步降低；有限元模拟表明：样品表面应力主要集中于中心区域，其中沿X、Y轴的轴向应力远高于沿Z轴及其它剪切应力分量，从而可将残余应力近似简化为双轴应力模型。

图4原位高温拉曼-力学载荷测试：（a）不同拉伸载荷下E2(TO)模式的拉曼峰移；

（b）拉伸载荷与拉曼峰移的拟合关系。

最后，在高温原位单轴拉伸实验中发现：4H-SiC(0001)晶面的E2(TO)峰随拉伸应力红移，实验获得的拉曼位移-应力系数与理论模型预测基本一致（相对误差小于10%），进一步验证了理论模型的准确性与实用性。

【文献链接】

Zhoudong Yang, Xinyue Wang, Yuanhui Zuo, Zhuorui Tang, Baotong Guo, Junran Zhang, Hongyu Tang*, Rongjun Zhang*, Xuejun Fan, Guoqi Zhang, and Jiajie Fan*, Prediction of Temperature-Dependent Stress in 4H-SiC Using In Situ Nondestructive Raman Spectroscopy Characterization, Laser & Photonics Reviews, 2025, 19(3): 2401033. https://doi.org/10.1002/lpor.202401033

【未来展望】

团队基于在4H-SiC拉曼–应力关联研究的积累，未来将围绕“工艺–应力–性能–可靠性”关系，重点突破拉曼光谱技术在半导体器件及封装制造关键工艺中的应力无损检测，系统开展SiC高能离子注入工艺中的残余应力、金半接触界面应力表征、MEMS封装工艺中的动态应力和SiC/烧结层界面应力监测等研究，研究成果可望为宽禁带半导体器件及封装制造及服役过程的性能与可靠性提升提供一定的理论与实验支持。

【研究团队介绍】

该课题组依托工研院超越照明研究所、上海市碳化硅功率器件与工程技术研究中心、复旦大学宁波研究院宽禁带半导体材料与器件研究所开展学术研究，主要研究方向为：

（1）宽禁带半导体封装工艺及可靠性；

（2）先进封装材料测试及性能表征；

（3）多尺度-多物理场仿真模拟；

（4）材料界面力学模型与检测；

（5）可靠性预测、健康管理及数字孪生技术等。