外延位錯密度測試 發布時間：2022-06-27 17:42:46
一、位錯的定義
在GaN基LED外延生長過程中，由于襯底材料與外延材料之間的失配等原因，使得外延薄膜中容易產生較多的位錯，這些位錯對LED有源區的發光是不利的。一方面，這些位錯會隨著外延層的生長進入有源區中，在有源區中形成V型坑，破壞有源區的光電特性；另一方面，外延層材料中也會存在較大的壓應力，這些應力的存在使得有源區的能帶彎曲變得嚴重，加重空穴波函數與電子波函數的分離。
位錯屬于一種線缺陷，可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線，其存在對材料的物理性能，尤其是力學性能，具有極大的影響。
圖1 常見位錯：（a）刃位錯 （b）螺位錯
二、外延位錯密度測試方法
常用的光電半導體晶體包括氮化鎵晶體、藍寶石晶體、碳化硅晶體和鍺晶體等，由于晶體缺陷是處于能量較高的不穩定非平衡狀態，因此在化學試劑腐蝕的作用下，缺陷處的晶格原子首先與化學試劑發生反應，釋放出能量以達到平衡態，從而形成某種特定形狀的腐蝕形貌，形貌是由晶體所屬的點群和晶體結構所決定，如圖2所示，GaN晶體常以穩定的六方纖鋅礦型結構存在，因此其腐蝕坑多為六邊形。
晶體經化學腐蝕后，可用光學顯微鏡或掃描電鏡統計一定視場面積S范圍內的位錯數量n，二者之比即為位錯密度Nd，即：Nd = n / S。進一步的，可以用FIB制備TEM樣品，然后在TEM上觀察位錯區域，即可得到位錯的具體形貌等信息。
圖2 GaN晶體纖鋅礦型晶體結構
三、案例分析
金鑒實驗室是目前國內光電半導體檢測項目最齊全的實驗室之一，具備國家認可及授權的CMA/CNAS資質（中國實驗室資質認定），并是工信部認定的“國家中小企業公共服務示范平臺”，廣東省工信廳認定的“LED失效分析公共服務示范平臺”，廣州市中級人民法院司法鑒定專業委托機構，被喻為“LED行業福爾摩斯，專破質量大案要案”。
為幫助學術界的科研工作者和企事業單位的研發部門高效地評估氮化鎵晶體、藍寶石晶體、碳化硅晶體和鍺晶體等晶體的生長質量，金鑒實驗室形成了整套光電晶體的位錯密度測試解決方案，包括化學腐蝕、電/光鏡觀察、TEM表征等，為光電半導體健康向上發展保駕護航。
下面以實際案例分析位錯密度檢測：
（1）某氮化鎵晶體經過化學腐蝕后，金鑒工程師在掃描電鏡下可清晰觀察到位錯表面形貌：
（2）某鍺晶體經過化學腐蝕后，金鑒工程師在光學顯微鏡下可清晰觀察到位錯表面形貌：
（3）某GaN外延片經化學腐蝕后，金鑒工程師在電子顯微鏡下可清晰觀察到位錯表面形貌：
進一步的，金鑒工程師用FIB制備5μm寬度區域的TEM樣品，在TEM下觀察到區域內的位錯線和V-pits如下所示：
FIB制備的5μm寬的TEM樣品
TEM下觀察到的位錯線和V-pits
（4）金鑒工程師在TEM下觀察到的g=0002 刃位錯：
（5）金鑒工程師在TEM下觀察到的g=11-20螺旋位錯和混合位錯：
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