蔡司扫描电镜在半导体领域的应用成果

扫描电镜-电子通道衬度成像技术（SEM-ECCI）是一种在扫描电镜下直接表征晶体材料内部缺陷的技术。SEM-ECCI技术的发展在缺陷表征领域替代了一部分透射电镜（TEM）的功能，相对透射电镜分析而言，提供了更高通量、更快效率的分析解决方案，也更具有统计意义。

由于其高效的成像效率、简单且非破坏性的制样流程，此技术近年来在金属材料、化合物半导体等领域得到了很大的发展，也受到了越来越多的关注。

接下来，为您展示的是研究人员们利用蔡司场发射扫描电镜的ECCI技术取得的成果。

异质外延生长的GaN/AlGaN薄膜材料在光子、电力电子及微波射频器件中具有广泛应用。随着GaN器件的微型化，其薄膜材料中位错缺陷的类型、面密度及分布情况严重限制了器件的性能及可靠性。如何在不破坏薄膜材料的前提下，精确表征GaN、GaN/AlGaN异质结中的位错缺陷仍具有较大的挑战。

中科院苏州纳米所研究员樊士钊等基于蔡司场发射扫描电镜通道衬度成像技术（ECCI）成功分析出刃位错、螺位错及混合位错的面密度，并首次在GaN/AlGaN异质结中观测到位错半环及位错滑移现象。

研究人员利用蔡司场发射扫描电镜获取GaN薄膜材料的菊池花样（图1）。通过系统分析菊池晶带与垂直晶面、倾斜晶面的对应关系，精准选取布拉格衍射条件并用于位错通道衬度成像。

▲ （a）GaN薄膜的菊池花样及由电子束衍射的运动学理论计算得出的（b）垂直晶面和（c）倾斜晶面的菊池晶带分布图

通过对比同一区域的位错在不同双束衍射条件下的衬度演化规律，将消光判据与位错衬度分布方向判据相结合，实现了对位错伯氏矢量的判定（图2）。另外，通过分析基于电子通道衬度技术直接获得的位错类型占比与基于X射线衍射方法间接获得的位错类型占比，确定电子通道衬度成像技术在分析混合位错方面的独特优势。

▲ 图2.同一区域GaN薄膜在不同双束衍射条件下的通道衬度成像及位错类型判定

最后，利用电子通道衬度成像技术直接测试GaN/AlGaN异质结界面，首次观测到位错半环，并发现大量混合位错在界面处的弯曲形成失配位错（图3）。通过分析位错弯曲的晶向，判明界面存在位错滑移现象，为GaN器件的失效机制拓展了新的研究方向。

▲ 图3. GaN/AlGaN异质结的通道衬度成像及位错滑移体系的判定

审核编辑 黄宇