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外延位错密度测试 发布时间:2022-06-27 17:42:46

一、位错的定义

在GaN基LED外延生长过程中,由于衬底材料与外延材料之间的失配等原因,使得外延薄膜中容易产生较多的位错,这些位错对LED有源区的发光是不利的。一方面,这些位错会随着外延层的生长进入有源区中,在有源区中形成V型坑,破坏有源区的光电特性;另一方面,外延层材料中也会存在较大的压应力,这些应力的存在使得有源区的能带弯曲变得严重,加重空穴波函数与电子波函数的分离。


位错属于一种线缺陷,可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线,其存在对材料的物理性能,尤其是力学性能,具有极大的影响。


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图1 常见位错:(a)刃位错 (b)螺位错

 

二、外延位错密度测试方法

常用的光电半导体晶体包括氮化镓晶体、蓝宝石晶体、碳化硅晶体和锗晶体等,由于晶体缺陷是处于能量较高的不稳定非平衡状态,因此在化学试剂腐蚀的作用下,缺陷处的晶格原子首先与化学试剂发生反应,释放出能量以达到平衡态,从而形成某种特定形状的腐蚀形貌,形貌是由晶体所属的点群和晶体结构所决定,如图2所示,GaN晶体常以稳定的六方纤锌矿型结构存在,因此其腐蚀坑多为六边形。


晶体经化学腐蚀后,可用光学显微镜或扫描电镜统计一定视场面积S范围内的位错数量n,二者之比即为位错密度Nd,即:Nd = n / S。进一步的,可以用FIB制备TEM样品,然后在TEM上观察位错区域,即可得到位错的具体形貌等信息。

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图2 GaN晶体纤锌矿型晶体结构

 

三、案例分析

金鉴实验室是目前国内光电半导体检测项目最齐全的实验室之一,具备国家认可及授权的CMA/CNAS资质(中国实验室资质认定),并是工信部认定的“国家中小企业公共服务示范平台”,广东省工信厅认定的“LED失效分析公共服务示范平台”,广州市中级人民法院司法鉴定专业委托机构,被喻为“LED行业福尔摩斯,专破质量大案要案”。


为帮助学术界的科研工作者和企事业单位的研发部门高效地评估氮化镓晶体、蓝宝石晶体、碳化硅晶体和锗晶体等晶体的生长质量,金鉴实验室形成了整套光电晶体的位错密度测试解决方案,包括化学腐蚀、电/光镜观察、TEM表征等,为光电半导体健康向上发展保驾护航。


下面以实际案例分析位错密度检测:

(1)某氮化镓晶体经过化学腐蚀后,金鉴工程师在扫描电镜下可清晰观察到位错表面形貌:


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(2)某锗晶体经过化学腐蚀后,金鉴工程师在光学显微镜下可清晰观察到位错表面形貌:


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(3)某GaN外延片经化学腐蚀后,金鉴工程师在电子显微镜下可清晰观察到位错表面形貌:


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进一步的,金鉴工程师用FIB制备5μm宽度区域的TEM样品,在TEM下观察到区域内的位错线和V-pits如下所示:


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FIB制备的5μm宽的TEM样品


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TEM下观察到的位错线和V-pits

 

(4)金鉴工程师在TEM下观察到的g=0002 刃位错:


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(5)金鉴工程师在TEM下观察到的g=11-20螺旋位错和混合位错:


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