蔡司掃描電鏡在半導(dǎo)體領(lǐng)域的應(yīng)用成果

掃描電鏡-電子通道襯度成像技術(shù)（SEM-ECCI）是一種在掃描電鏡下直接表征晶體材料內(nèi)部缺陷的技術(shù)。SEM-ECCI技術(shù)的發(fā)展在缺陷表征領(lǐng)域替代了一部分透射電鏡（TEM）的功能，相對透射電鏡分析而言，提供了更高通量、更快效率的分析解決方案，也更具有統(tǒng)計(jì)意義。

由于其高效的成像效率、簡單且非破壞性的制樣流程，此技術(shù)近年來在金屬材料、化合物半導(dǎo)體等領(lǐng)域得到了很大的發(fā)展，也受到了越來越多的關(guān)注。

接下來，為您展示的是研究人員們利用蔡司場發(fā)射掃描電鏡的ECCI技術(shù)取得的成果。

異質(zhì)外延生長的GaN/AlGaN薄膜材料在光子、電力電子及微波射頻器件中具有廣泛應(yīng)用。隨著GaN器件的微型化，其薄膜材料中位錯(cuò)缺陷的類型、面密度及分布情況嚴(yán)重限制了器件的性能及可靠性。如何在不破壞薄膜材料的前提下，精確表征GaN、GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)中的位錯(cuò)缺陷仍具有較大的挑戰(zhàn)。

中科院蘇州納米所研究員樊士釗等基于蔡司場發(fā)射掃描電鏡通道襯度成像技術(shù)（ECCI）成功分析出刃位錯(cuò)、螺位錯(cuò)及混合位錯(cuò)的面密度，并首次在GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)中觀測到位錯(cuò)半環(huán)及位錯(cuò)滑移現(xiàn)象。

研究人員利用蔡司場發(fā)射掃描電鏡獲取GaN薄膜材料的菊池花樣（圖1）。通過系統(tǒng)分析菊池晶帶與垂直晶面、傾斜晶面的對應(yīng)關(guān)系，精準(zhǔn)選取布拉格衍射條件并用于位錯(cuò)通道襯度成像。

▲ （a）GaN薄膜的菊池花樣及由電子束衍射的運(yùn)動(dòng)學(xué)理論計(jì)算得出的（b）垂直晶面和（c）傾斜晶面的菊池晶帶分布圖

通過對比同一區(qū)域的位錯(cuò)在不同雙束衍射條件下的襯度演化規(guī)律，將消光判據(jù)與位錯(cuò)襯度分布方向判據(jù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了對位錯(cuò)伯氏矢量的判定（圖2）。另外，通過分析基于電子通道襯度技術(shù)直接獲得的位錯(cuò)類型占比與基于X射線衍射方法間接獲得的位錯(cuò)類型占比，確定電子通道襯度成像技術(shù)在分析混合位錯(cuò)方面的獨(dú)特優(yōu)勢。

▲ 圖2.同一區(qū)域GaN薄膜在不同雙束衍射條件下的通道襯度成像及位錯(cuò)類型判定

最后，利用電子通道襯度成像技術(shù)直接測試GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)界面，首次觀測到位錯(cuò)半環(huán)，并發(fā)現(xiàn)大量混合位錯(cuò)在界面處的彎曲形成失配位錯(cuò)（圖3）。通過分析位錯(cuò)彎曲的晶向，判明界面存在位錯(cuò)滑移現(xiàn)象，為GaN器件的失效機(jī)制拓展了新的研究方向。

▲ 圖3. GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)的通道襯度成像及位錯(cuò)滑移體系的判定

審核編輯 黃宇