Ⅲ族氮化物半导体材料具有宽禁带、强极化、高电子饱和速度和高击穿场强等优异的性质,同时又具有良好的化学稳定性和热稳定性。在过去的二三十年中,Ⅲ族氮化物半导体材料和器件研究有了长足的发展和进步,取得了丰硕成果。随着高质量氮化镓(GaN)薄膜的异质外延生长和p型GaN材料掺杂问题的解决,高效率的氮化物半导体蓝光发光二极管成功地实现了商业化。同时,AlGaN/GaN等GaN基异质结构电子器件也在微波功率器件和电力电子器件领域不断刷新半导体器件的功率密度、效率和带宽等方面的记录。然而,在Ⅲ族氮化物半导体材料和器件领域存在的问题仍然突出,在基础理论、材料缺陷、器件性能和可靠性、器件结构等方面仍然存在不少难题有待解决。这些问题的解决不但需要在材料生长和器件加工技术方面的有所突破,更需要通过各种半导体测试表征技术对材料性质和器件性能进行更深入准确的研究。拉曼光谱是一种可以同时获得材料应力、缺陷、杂质、合金组分、载流子浓度以及温度等信息,并且具有速度快、无需样品制备、无损伤、空间分辨率高等优势的表征技术。因此,拉曼光谱已经成为半导体材料表征和器件测试的一个重要手段。利用拉曼光谱技术可以精确表征GaN器件工作过程中,材料性质和器件性能的变化情况,进而研究不同因素对器件性能的影响,最终为获得高性能GaN材料和器件提供强有力的技术帮助。本文基于拉曼光谱技术,对不同极性的GaN材料中的应力、缺陷、载流子浓度、温度、合金组分等性质进行了深入系统的研究。主要的研究工作和成果如下:1、拉曼成像技术对图形化蓝宝石衬底上外延的n型GaN薄膜中结晶质量的空间分布研究。通过对GaN的E2(high)声子模散射峰的频率和半高宽的成像分析,提出了图形化蓝宝石衬底上生长GaN薄膜的位错湮灭机理,即在窗口区生长的GaN中的位错会在横向生长过程中向周围的蓝宝石图形弯曲,与图形相遇后终止。阴极荧光光谱(CL谱)而扫描测试结果和截而透射电子显微镜(TEM)测试结果进一步验证了位错在图形化衬底中发生弯曲和湮灭的现象,证明了通过拉曼成像技术分析得到的位错湮灭机理的准确性。2、拉曼成像技术对N而GaN薄膜的六方凸起结构中的应力和位错分布进行了研究。通过对蓝宝石衬底上生长的N面GaN薄膜中典型的六方凸起结构进行拉曼光谱二维表面扫描,发现了六方凸起结构的顶面区域比侧壁处和六方凸起结构周围的区域处的残余应力更小。CL谱而扫描结果发现了在六方凸起结构周围区域的位错密度比六方凸起结构顶面区域的更高,证明了生长的过程中位错发生弯曲和湮灭并导致部分残余应力的释放是导致六方凸起结构中位错密度和残余应力空间分布不均匀的原因。3、拉曼光谱技术对非极性a面GaN材料在横向外延过生长中的结晶质量和残余应力的各向异性研究。通过对比沿不同掩膜条纹方向横向外延生长的未合并的a面GaN条纹的拉曼光谱中GaN的E2(high)声子模的强度,频移和半高宽的二维成像结果发现,沿[0001]掩膜条纹方向横向过生长GaN时,在窗口区域处的结晶质量有明显改善,这是由于窗口区的位错向侧壁弯曲而引起的。当沿[1 100]掩膜条纹方向横向过生长GaN时,横向生长区具有更好的结晶质量以及更小的残余应力。CL面扫描结果进一步验证了沿着不同的掩膜条纹方向横向外延过生长中,位错弯曲机理不同。4、拉曼光谱对非极性a面GaN材料中自由载流子浓度随深度的分布研究。通过对非极性a面GaN样品的截面进行一维拉曼光谱线扫描,发现了非极性GaN的A1(LO)声子模的散射频率在靠近蓝宝石衬底处最高,并随着测试点不断接近表面,散射频率逐渐变小。利用GaN的LOPC声子模的散射频率计算得到了a面GaN材料中自由载流子浓度随深度的分布,证明了在a面薄膜靠近衬底位置处的自由载流子浓度较高。5、对(1122)面半极性GaN同质外延衬底进行了偏振拉曼光谱的研究。通过改变入射光偏振的方向测试得到了在散射光偏振方向为‖和⊥的情况下,入射光偏振角度与各散射峰强度的变化关系。通过计算推导出了不同声子模的散射强度Ⅰ与入射光偏振和散射光偏振之间夹角φ值的关系式,发现E1(TO),Q(LO)和Q(TO)声子模的实验结果与理论计算基本相吻合。但由于(1122)面GaN材料中,c轴与表面既不平行也不垂直,本应在散射光偏振方向为⊥时被禁止的非极性声子模E2(high)模仍然能被观察到,并且其强度随入射光偏振角度的变化规律与散射光偏振方向为‖时的规律一致。6、对半极性(1152)面GaN材料进行变温拉曼光谱特性研究。通过在83 K到563 K范围内对半极性GaN样品进行一阶拉曼光谱测试,观察到(1122)面GaN材料的各种声子模随着温度的升高其散射的频率逐渐减小,同时散射峰的半高宽增大。将测试结果按照散射峰频移和展宽理论模型进行拟合,验证了各声子模的散射峰频移现象是由晶格热膨胀和声子衰减引起的,而散射峰的展宽现象则是由声子衰减和杂质、缺陷共同引起的。同时在不同几何配置下的半极性GaN材料E1(TO)、E2(high)等声子模散射峰的频率和半高宽的差异进一步证明了 GaN材料中声子振动的各向异性。