蔡司扫描电镜在第三代半导体领域的应用成果

扫描电子显微镜-电子通道对比成像（SEM-ECCI）是在扫描电子显微镜下直接表征晶体材料内部缺陷的技术。SEM-ECCI技术的发展已经取代了透射电子显微镜（TEM）在缺陷表征领域的部分功能。与TEM分析相比，它提供了更高的吞吐量、更快的效率分析解决方案，并且具有更强的统计意义。

于该技术成像效率高，制样过程简单、无损，近年来在金属材料、化合物半导体等领域取得了很大的发展，也受到了越来越多的关注。

氮化镓异质结中穿线和失配位错的电子通道衬度成像分析。

异质外延生长的GaN/AlGaN薄膜材料广泛应用于光子学、电力电子学和微波射频器件中。随着GaN器件的小型化，其薄膜材料中位错缺陷的种类、面密度和分布已严重限制了器件的性能和可靠性。如何在不破坏薄膜材料的前提下精确表征GaN和GaN/AlGaN异质结中的位错缺陷仍是一个很大的挑战。

中国科学院苏州纳米研究所研究员范士钊，等基于蔡司场发射扫描电子显微镜沟道对比成像技术（ECCI）成功地分析了边缘位错、螺旋位错和混合位错的表面密度，并首次在GaN/AlGaN异质结中观察到。脱臼半环和位错滑移现象。

研究人员使用蔡司场发射扫描电子显微镜获得了GaN薄膜材料的菊池图案（图1）。通过系统地分析菊池晶带与垂直晶面和倾斜晶面的对应关系，准确地选择布拉格衍射条件，并将其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

通过比较不同双光束衍射条件下同一区域内位错对比度演化规律，将消光判据和位错对比度分布方向判据相结合，实现了位错Burgers矢量的确定（图2）。此外，通过分析基于电子通道衬度技术直接获得的位错类型比例和基于X射线衍射方法间接获得的位错类型比例，确定了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，利用电子通道对比度成像技术对GaN/AlGaN异质结界面进行了直接测试，首次观察到位错半环，发现大量混合位错在界面处弯曲形成错位位错(图3)。通过分析位错弯曲的晶体学方向，发现在界面处存在位错滑移现象，为GaN器件的失效机理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