[发明专利]提高空间分辨率的异质外延生长氮化镓位错密度检测方法

说明书

本发明公开了一种提高空间分辨率的异质外延生长氮化镓位错密度检测方法。本发明首先通过温控系统将被检测样品周围的环境温度调节到合适的点，从而抑制扩散长度变大，进一步获得更高的空间分辨率；其次通过单个量子点成像获得成像系统的点扩展函数，利用二维的点扩散函数得到了频域内的光传递函数，对点扩散函数进行逆滤波处理，对样品位错的采集图像进行解卷积处理得到原始图像，从而消除周围环境影响，获得更为精准的图像；随后，对氮化镓位错的尺寸大小、相对密度进行定量分析；最后，进一步基于温控系统及解卷积技术，利用宽场荧光成像技术、阴极发光技术、三光子荧光显微成像及多光子荧光显微成像观测了更为精确的氮化镓薄膜的位错。

技术领域

本发明涉及显微成像技术领域，具体涉及一种提高空间分辨率的异质外延生长氮化镓位错密度检测方法。

背景技术

与第一代、第二代半导体材料(如硅、锗、砷化家、锑化锢)相比而言，以宽禁带化合物氮化镓为首的第三代半导体材料因其具有耐高温、耐酸碱腐蚀、耐高压、良好导热性以及承受大电流等优点，故而在光电子、微电子领域具有广大的应用前景。然而，天然形成的氮化镓晶体在自然界凤毛麟角，目前商用化的氮化镓晶体主要是通过外延生长的方式(如分子束外延、金属有机物化学气相沉积以及氢化物气相外延法等)在异质衬底(如硅基材料、蓝宝石等)上进行生长。由于异质衬底和氮化镓晶体之间存在着较大的热膨胀系数差异及晶格不匹配等问题，氮化镓外延生长过程中产生了高密度的位错(10⁸-10¹⁰cm^-2)，成为了制约器件发光效率、光电性能(如非辐射复合作用、器件寿命大幅缩短等)的一个关键因素。因此，实现对氮化镓位错密度的精准测量对其半导体器件的发展具有极其重要的意义。

在氮化镓薄膜的外延生长过程中，位错会随着薄膜的外延方向生长，这就对位错检测手段提出了能够进行三维成像能力的要求。与此同时，氮化镓位错的尺寸非常小(原子量级)，亦对位错检测手段提出了较高的空间分辨率的要求。目前，应用于氮化镓位错检测的手段主要包括透射电镜、湿法刻蚀、阴极发光法及X射线衍射法等。尽管这些成像手段具有较高的分辨率，但也有一些比较突出的缺点，如无法三维成像、无法对位错的成长情况进行实时追踪、易对样品造成损伤、预处理过程复杂等。与上述位错密度检测方法相比而言，双光子荧光成像技术具有灵敏度高、时空分辨率高、操作简便、仪器价格低廉等优势，近年来已被广泛应用于氮化镓位错密度检测。

氮化镓是一种载流子迁移率较高的半导体材料，其位错具有显著的光学、化学特性，尤其对van der Pauw变温霍尔效应具有非常高的灵敏度。尤其当激光照射到氮化镓薄膜表面时会产生光、热、电等一系列反应，导致样品的载流子浓度发生变化，少数载流子与晶格中的声子发生强相互作用，进而造成扩散长度变大，影响光学成像的空间分辨率。扩散长度是载流子寿命和载流子迁移率乘积的平方根。温控是一种有效控制氮化镓载流子浓度变化、抑制扩散长度增大的一种有效手段，对提高位错成像分辨率具有极其重要的意义。

发明内容

针对以上提到的氮化镓位错检测手段的发展现状和受限，本发明提出了提高空间分辨率的异质外延生长氮化镓位错密度检测方法，采用温度控制的技术手段，对于不同类型的氮化镓晶体，通过温控系统将被检测样品周围的环境温度调节到合适的点，从而抑制扩散长度变大，进一步获得更高的空间分辨率；同时，通过解卷积的策略，实现对氮化镓位错的更为精细成像。

本发明的异质外延生长氮化镓位错密度检测装置包括：样品密封系统、温控系统和光学成像系统；其中，待检测的样品为异质外延生长氮化镓；样品放置在样品密封系统中；温控系统密封连接至样品密封系统，测试过程中样品密封系统处于真空状态，检测并控制样品密封系统中的温度；光学成像系统正对样品密封系统的样品，采集样品的图像形成采集图像。

温控系统包括加热装置、制冷装置和温度传感器；温度传感器密封放置在样品密封系统中，加热装置对样品密封系统进行加热，制冷装置对样品密封系统进行制冷，样品密封系统连接抽真空装置，抽真空装置对样品密封系统进行抽真空处理。

抽真空装置采用油泵。