GBT-III族氮化物半导体材料中位错成像的测试 透射电子显微镜法

III族氮化物半导体材料中位错成像的测试透射电子显微镜法TestmethodfordislocationimaginginIII-nitridesemiconductormaterials—Transmissionelectronmicroscopy编制说明（征求意见稿）标准编制工作组2023年10月11日一、制定本标准的目的和意义III族氮化物半导体材料主要包括GaN，AlN,InN以及上述三种材料的组合体系，如InGaN，AlGaN,AlInGaN等。它们在微电子器件、光电子器件等方面有着重要的应用，是目前全球半导体研究的前沿和热点。位错是表征III族氮化物半导体晶体质量的一个重要物理量。目前表征III族氮化物半导体位错的方法主要有：透射电镜方法；化学腐蚀结合原子力显微镜法；X-ray衍射摇摆曲线法；阴极荧光显微镜方法。化学腐蚀结合原子力显微镜法通常需要对样品进行适当的化学处理，显露出位错坑，然后用原子力显微镜进行表面形貌检测。如果化学处理不当，则可能显露不出位错，同时也难以分辨位错的种类；X-ray衍射摇摆曲线法表征位错则需要较为复杂的换算，不够直观；阴极荧光显微镜方法不需要破坏样品即可以直接观察到位错，但由于探测波长的限制，目前一般仅适用于GaN,InGaN等材料，对于AlN，AlGaN等材料则很难实现位错的观测。透射电镜方法一般需要对试样进行切割、磨抛和减薄处理；在透射电镜中，需要对晶体进行特殊角度的倾转，然后可以对位错进行成像。目前采用透射电镜方法对III族氮化物中的位错进行成像已经有大量文献报道，但目前国内外尚没有相关的标准。而随着III族氮化物产业的发展，对III族氮化物中位错进行成像表征有着迫切的需求。本标准介绍了用透射电镜对III族氮化物半导体中位错进行成像的原理，并规定了测量方法。二、工作简况1任务来源根据《国家标准委关于下达2021年第三批推荐性国家标准计划及相关标准外文版计划的通知》（国标委发[2021]28号）的要求，《III族氮化物半导体材料中位错成像的测试透射电子显微镜法》由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、苏州纳维科技有限公司、江苏省第三代半导体研究院、北京大学、国家纳米科学中心等共同起草，计划号为：20214216-T-469。2编制和协作单位中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所（简称苏州纳米所）是由中国科学院，江苏省人民政府，苏州市人民政府和苏州工业园区于2006年3月共同出资创建的国家级科研机构。苏州纳米所的纳米加工平台、测试分析平台和计算平台是总投资约2亿元的公共资源，拥有电子束曝光机、透射电子显微镜、扫描电子显微镜、阴极荧光谱仪器、光刻机、倒装焊机等重大仪器设备，具有开发微纳器件、微纳光机电系统、生物传感器及生物芯片等多功能的技术支撑体系，具备全面的纳米尺度下的单分子和纳米结构的表征技术与测试手段，拥有丰富的理论计算手段，是国际先进水平的纳米科学研究和成果转化的公共技术平台。本标准的协作编写单位为苏州纳维科技有限公司，江苏省第三代半导体研究院、苏州科技大学、北京大学、国家纳米科学中心、北京大学东莞光电研究院、东莞市中镓半导体科技有限公司。苏州纳维科技有限公司创立于2007年，以中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所为技术依托，立足于设备的自主研发，专注于从事高质量、大尺寸氮化物材料的生长与产品开发，为产业界和研发机构提供各类氮化镓材料，目前公司拥有核心技术专利三十余项，是中国首家氮化镓衬底晶片供应商。3工作过程2021年10月，“III族氮化物半导体材料中位错成像的测试透射电子显微镜法”国家标准制定计划在国家标准化管理委员会正式立项。从2021年11月开始组建标准起草工作组，由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、苏州纳维科技有限公司、江苏省第三代半导体研究院、、苏州科技大学、北京大学、国家纳米科学中心、北京大学东莞光电研究院、东莞市中镓半导体科技有限公司的科研人员及技术人员担任。2021年12月，标准起草工作组详细讨论并制定了本标准的相应工作计划。2022年1月至6月，收集整理与本标准项目相关的标准、论文、专著等文献资料，并基于所开展基础研究的实验结果，形成标准草稿。2022年7月-12月，选取III族氮化物m面样品进行位错成像测试，并在实验室内部进行验证。2023年1-8月，选取III族氮化物c面样品进行位错成像测试，并在实验室内部进行验证。三制定标准的原则和编写依据、确定标准主要内容起草人首先查阅了标准编写应依据的有关国家标准，以进一步熟悉标准编写的基本要求。在技术方面，通过图书馆和互联网广泛查阅了国内外相关资料文献和技术标准，并收集分析测试相关标准物质/标准样品/仪器校准物质等，开展标准的起草和实验验证工作。1方法选择的依据目前采用透射电子显微镜进行位错成像见诸文献报道的主要有三类方法。其一是衍射衬度成像方法，是目前应用最广的方法，也是本标准中涉及到的方法，下面将进行重点阐述；其二是高分辨成像方法，主要的原理是通过将透射电子显微镜调节到高分辨模式，对材料进行晶格乃至原子尺度的成像，对位错进行直接观察。但是这种方法非常局域，在很多情况下只能对单个或几个位错进行观察，不适合应用于产业上对位错的成像观察；其三是应用扫描透射（STEM）模式对位错进行成像，目前虽然也有文献报道，但相对报道还比较少。采用衍射衬度成像方法来进行位错成像在文献中有大量报道，但目前国际国内均没有相应的测试标准。目前随着国内III族氮化物半导体产业的发展，对于III族氮化物半导体中位错成像的需求越来越多。采用衍射衬度成像方法来进行位错成像，不仅直观，而且方便。通过在透射电镜中对样品进行一定角度的倾转，即可以得到位错成像，而且通过选择特定的衍射矢量，还可以对位错的类型进行判定。更进一步可以对位错的分布密度进行估算，从而为表征晶体质量提供参考。2采用暗场成像模式在衍射衬度模式下，位错通常呈现出明暗的衬度。将透射束过滤掉，采用特定的衍射束进行成像，这被称为暗场成像模式。由于透射束被过滤掉，因此在很大程度上可以提高图像的衬度，从而获得更为清晰的位错成像。因此推荐采用暗场成像模式。3样品制备由于本标准主要是为产业服务，需要对晶体中的位错分布进行成像。因此为了获得相对比较大的样品区域进行位错成像，推荐采用将样品切割成长2.5mm，宽1mm的小条，然后进行对粘后，抛光至15μm以下，最后离子减薄。这样可以获得较大的薄区进行表征。4样品晶面方向和衍射矢量的选取为了对III族氮化物中的简单位错分布进行表征，我们根据相关文献，选择两个晶面方向，一个为<1-100>方向(即M方向)，一个为[0001]方向（即C方向）。选择<1-100>方向，通过选择{11-20}衍射斑进行双束或者弱束成像，可以对刃型位错和混合位错进行成像；选择{0002}衍射斑进行双束或者弱束成像，可以对螺型位错和混合位错进行成像。另外考虑到位错密度评估的需求，选择[0001]方向，通过选择{11-20}衍射斑点，可以对晶面中位错的分布情况进行表征。四实验分析及验证对本标准所规定的技术内容进行对应的实验分析和验证，所选用的样品见下表。序号样品名来源尺寸材料1MOCVD生长的GaN薄膜样品苏州纳维科技有限公司2英寸，选取M方向2HVPE生长的AlN薄膜样品苏州纳维科技有限公司2英寸，选取C方向1实验室内部比对验证选取M方向样品，进行验证通过选取M方向样品，进行验证。三位工作人员采用标准中规定的方法对同一样品进行了位错成像，结果如下：{11-20}双束暗场成像{11-20}双束暗场成像{11-20}双束暗场成像由上可见，通过选择标准方法中{11-20}双束暗场成像，我们均可以得到刃型位错和混合位错的图像。选取C方向样品，进行验证{11-20}双束暗场成像{11-20}双束暗场成像{11-20}双束暗场成像2不同实验室之间比对验证采用相同样品，在中科院苏州纳米所测试分析中心、北京大学物理学院电镜室、国家纳米科学中心电镜室等三个实验室进行了比对验证，结果如下：中科院苏州纳米所测试分析中心对于1号样品：(b)图S-1(a)(0002)双束暗场成像；(b)(0002)弱束暗场成像(a)(b)图S-2(a){11-20}双束暗场成像；(b){11-20}弱束暗场成像(a)(b)图S-3(a){11-22}双束暗场成像；(b){11-22}弱束暗场成像对于2号样品：(a)(b)图S-4(a){11-20}双束暗场成像；(b){11-20}弱束暗场成像北京大学物理学院电镜室对于1号样品：(a)(b)图B-1(a)(0002)双束暗场成像；(b)(0002)弱束暗场成像(a)(b)图B-2(a){11-20}双束暗场成像；(b){11-20}弱束暗场成像(a)(b)图B-3(a){11-22}双束暗场成像；(b){11-22}弱束暗场成像对于2号样品：(a)(b)图B-4(a){11-20}双束暗场成像；(b){11-20}弱束暗场成像国家纳米科学中心对于1号样品：(a)(b)图G-1(a)(0002)双束暗场成像；(b)(0002)弱束暗场成像(a)(b)图G-2(a){11-20}双束暗场成像；(b){11-20}弱束暗场成像(a)(b)图G-3(a){11-22}双束暗场成像；(b){11-22}弱束暗场成像对于2号样品：(a)(b)图B-4(a){11-20}双束暗场成像；(b){11-20}弱束暗场成像五与国内、外同类标准水平对比情况对于III族氮化物半导体材料，由于透射电子显微镜具有高的空间分辨率的优点，因此将其应用于位错成像的检测已经是行业内广泛采用的方法。但目前国内外都尚无利用透射电镜对III族氮化物半导体材料材料