图1 常规AlGaN/GaN晶圆外延结构横截面示意图
1. 原子力显微镜扫描
原子力显微镜（Atomic force microscope，AFM）主要用来研究材料的原子级显微表面形貌，具有较高的横向和纵向分辨率。一般情况下，AFM的横向分辨率为0.1nm，纵向分辨率为0.01nm。根据探针针尖与样品的距离，AFM扫描模式分为接触式扫描、轻敲式扫描和非接触式扫描。质量较好的AlGaN/GaN外延薄膜，在AFM扫描时可以观察到明显的原子台阶和少量的凹坑。凹坑为异质外延过程中延伸缺陷（位错）在表面的露头处。如图2所示为某国产4英寸Si衬底AlGaN/GaN晶圆表面AFM扫描图。从图中可以看出，该晶圆表面较平整、原子台阶明显、凹坑较少且尺寸较小，证明该晶圆外延质量较好。
图2 某国产硅衬底AlGaN/GaN晶圆AFM扫描图
2. 水银探针电容-电压测试（C-V）
C-V测量方法利用空间电荷区的宽度和电荷数量随外加电压发生变化这一特性来测量半导体材料的电荷浓度。图3为水银探针结构图。水银探针可以对普通介质膜（SiO2，Si3N4，Al2O3)内部电荷密度（可动离子电荷、不可动离子电荷）进行测试，也可测试pn结、肖特基势垒、MIS结构、异质结构的电荷密度。
图3 水银探针设备结构示意图
测试时，AlGaN/GaN晶圆正面朝下，AlGaN势垒层接触探针台的上电极，2-DEG被限制在势阱中，不考虑势垒层漏电，在水银探针上电极进行电压扫描，AlGaN层类似一个真空电容板，可得到该电容板的电容值。探针接触面积已知，通过计算可以得到AlGaN势垒层厚度及2-DEG浓度。如图4所示为本实验对某国产4英寸Si衬底AlGaN/GaN晶圆进行的水银探针C-V测试结果示意图。扫描电压范围为-7~3V。
图4 某国产硅衬底AlGaN/GaN晶圆水银探针C-V测试结果示意图
图中，区域1为2-DEG深耗尽区，深耗尽状态下电容值越小，表明背景载流子浓度越低，器件关态漏电越小。区域2为2-DEG耗尽区，曲线越陡表示2-DEG浓度的突变性、限域性越好，器件开关特性越好。区域3为2-DEG积累区，曲线越平缓表示2-DEG限域性越好，器件正向开启时栅极漏电越低。由C-V曲线可以得到势垒层厚度d=ε/C=22nm（C取V=0点电容值），二维电子气浓度
（积分从-7V积到1V）。由水银探针测试出的势垒层厚度和2-DEG浓度与该晶圆出厂时附带说明书上所给的相关参数，误差在2%以内，证明这种方法可以较为精确的测量晶圆的材料参数。3. 范德堡法霍尔测试
使用范德堡霍尔测试可以得到半导体材料的方块电阻、载流子浓度。载流子迁移率等电学信息。为进行测试，首先需要选用一个方形材料，然后在材料表面尽量靠近晶圆边界处制作4个欧姆接触点。如图5为在4英寸晶圆上划下的5mm×5mm方形小片，图中编号1、2、3、4代表制作的欧姆接触点。
图5 用以范德堡霍尔测试的5mm×5mm晶圆
首先进行方块电阻测试。在1、2点加电压，测试4、3点的电流，计算出特征电阻RA；在1、4点加电压，测试2、3点的电流，计算出特征电阻RB。根据范德堡理论，方块电阻可以表示为：
得到方块电阻后，将样品置于与样品表面垂直的磁场中并外加电流，利用霍尔效应测试霍尔电压VH，通过计算得到材料的载流子迁移率和2-DEG浓度。测试后得到如图6所示的测试数据输出。从中可以看到该AlGaN/GaN晶圆方块电阻为558Ω/£，二维电子气浓度为
图6 范德堡霍尔测试得到的测试结果