半导体缺陷 有哪些表征方法？谢谢啦

GaN LED自1995年日本中村先生成功研制以来，近几年其技术以惊人的速度迅猛发展。在可靠性方面，虽然在上、中、下游研发和生产等各个环节中备受重视，但是外延材料对器件可靠性和性能的影响研究，受上游至下游产业学科跨度大的限制，分析实验难度较高；与其他半导体器件一样的有些理念虽为业内人士所知晓，因缺少对应的分析实验和规范的试验方法，故在GaN-LED方面无明确的对应关系。本文通过试验并分析GaN-LED外延片晶体质量对其LED芯片光电参数分布及器件性能的影响，提出较系统的实验方法，验证了LED外延晶体缺陷对器件可靠性的基础作用，为外延材料结构与生长工艺的优化和改善提供依据。

1 试验概述

试验晶片为采用金属有机化学气相淀积（MOCVD）方法，在2英寸（50mm）蓝宝石衬底上生长的GaN基LED外延结构[1-2]。外延生长完成后，首先通过高倍金相显微镜检查外延层表面形貌，再用Bede-Q2000双晶X光衍射（DMXRD）仪对选定外延片晶格结构特性进行分析测试。然后采用常规的GaN-LED芯片工艺，将外延片制成330μm×300μm的LED芯片，其典型的外延材料和芯片结构如图1。采用LED-617型光电参数测试仪，进行芯片光电参数测试。用环氧树脂将管芯封装成蘑菇状Φ5mm的LED单灯器件供可靠性试验。LED器件参数采用SPC-4000LED光电参数测试仪测量，ESD试验则采用ETS910静电模拟发生器考核器件抗静电能力，而样品电老化试验则在自己研制的恒流老化仪上进行。

2 外延与芯片检测

在外延片表面外观检查中，选取较为典型的外观作为样片进行跟踪对比分析：外延片样品（Ep1）表面存在明显缺陷（图2），同时在（Ep1）这一炉次中和其他正常炉次中各选取一片表面无明显缺陷样品（Ep2和Ep3），以便跟踪对比分析。

2．1 X射线双晶衍射（XRD）分析

对于外延材料质量的评估，除检查表观特征外，可用X射线双晶衍射方法、光致发光谱（PL）、霍尔效应测试等对外延片晶体质量进行检测。其中X射线双晶衍射方法具有独特的优点，即可以无损伤、准确、制样简单地进行材料检测，可精确地确定晶格结构参数，尤其是晶格应变，特别适合测量外延晶片的结构特性。因此，本文选择了缺陷附近和远离缺陷两类区域，通过测量其双晶回摆曲线，以了解外延层晶格常数的微小差异、晶格扭曲、微小应变、缺陷附近的应力场情况以及晶片的d性或范性弯曲等特征[3]。图3为Ep1-1缺陷附近的回摆曲线。其中主峰为GaN外延层的（0002）衍射峰，其左右两侧InGaN多量子阱的衍射峰依然清晰，可见双晶回摆曲线是缺陷附近晶格结构参数的整体效果。

详细比较其他区域和其他晶片的双晶回摆曲线，容易观察到GaN（0002）衍射主峰半峰宽的差异，测试结果见表1。缺陷附近半峰宽明显大于远离缺陷区域和正常晶片，晶格失配较正常严重，表明缺陷不只影响观察到如图2所示的1mm大小区域，它将导致其附近区域晶格的畸变。

2．2 芯片光参数分布图

将外延样片按常规的GaN-LED芯片工艺，同批生产制成330μm×300μm的芯片管芯，采用LED-617型光电参数测试仪进行光电参数测试，输出相应参数分布图。其中Ep2、Ep3对应的电致发光（EL）分布未见异常，而样片Ep1的（EL）分布如图4所示。从图4（a）清晰显示，发光强度随离开样片中心区域而减弱，多数不发光区域位于样片边沿；最为显著的不发光区域与样片制成管芯前缺陷区域一致，如图中所标，不发光区域尺度明显大于外延层缺陷的表观尺度，可见外延片中的缺陷将直接导致周边区域管芯的失效。而其他区域管芯波长分布较均匀，如图4（b）所示。由于发光波长取决于外延层中多量子阱宽度和势垒的高度，管芯波长分布的均匀性反应了外延工艺过程的精确性。综合上述两方面的结果，可以认为，外延层的缺陷起始于衬底，如果外延过程未能得到抑制，它造成缺陷及附近外延层所制成的LED芯片丧失发光特性；此外区域虽然失配严重，但芯片光电参数未见异常。

3 可靠性试验结果的验证与分析

按照设定的试验分析比较方案，分别从三片对应外延片中抽取合格芯片样品，进行可靠性分析试验。芯片样品组Cp1-1抽自Ep1-1外观缺陷片缺陷附近区域的参数正常芯片；样品组Cp1-2分别抽自Ep1-2外观缺陷片远离缺陷区域的上下左右四个区域；样品组Cp2和Cp3分别抽自Ep2和Ep3的上下左右四个区域。同时封装成器件后，进行可靠性试验，其中一组进行抗静电能力试验，两组做电老化加速寿命试验。

3．1 对抗静电能力试验的影响[4]

静电放电（ESD）容易引起GaN基发光二极管pn结的击穿，造成器件失效，因此抗静电能力的高低直接体现LED器件可靠性。采用晶体管图示仪作为试验前后的电性能参数测试，ETS910静电模拟发生器对待测样品进行放电，条件为标准人体模型，正反向连续放电3次，间隙为1s，测试结果（表2）表明，当静电电压较低时，所有样品的抗静电能力未见差别，但随着电压的上升，差别明显加大。取自Ep1-1外观缺陷片缺陷附近区域的样品Cp1-1组的抗静电能力最差，而其他三组差别不明显。

在外延材料结构中，InGaN有源层的势阱、势垒的宽度窄，器件ESD失效机理相对复杂[5]，试验结果统计显示，晶体质量较差、失配严重所对应的器件被静电击穿而失效的概率较其他器件要大得多。可见当器件受到静电冲击时，外延结构晶体中的缺陷及其附近晶格畸变严重和位错密度高的薄弱位置将容易被击穿。

3．2 电老化试验[6]

发光二极管的退化主要包括管芯和环氧树脂等缓慢退化。在本文的试验中，环氧树脂退化的影响将尽可能降低。由于GaN基LED可靠性水平的不断提高，其超长的工作寿命，已不可能通过正常应力条件下的寿命试验来验证，故采用两种加速条件进行老化试验：①采用高温恒流的高恒定热电应力加速老化试验，试验条件为正向电流40mA，环境温度60℃，时间96h，其试验结果见表3；②采用高恒定电流应力加速老化试验，试验条件为正向电流30mA，环境温度25℃，时间1008h，结果见表4。光通量退化曲线如图5所示。

试验结果表明，四组样品光输出退化趋势基本相似，体现样品器件的电老化总体综合情况，其之间的差异是由芯片造成的。无论是高温恒流加速老化或者是高恒定电流老化试验，取自Ep1-1外观缺陷片缺陷附近区域的样品Cp1-1组的光衰都最大，因所有样品的封装条件一样，故器件光输出退化速率的差别应为管芯所造成。由于缺陷对载流子具有较强的俘获作用，在有源层中形成无辐射复合中心，使光效降低，而注入载流子的无辐射复合又使能量转化为晶格振动，导致缺陷和位错等造成载流子泄漏和非辐射复合中心的增多，使得器件内量子效率下降速率加快[7]。

这个单位是复旦大学与华大半导体联合创办的单位，或者可以叫课题组，是专门的研发单位。这个单位是招聘的，但是目前来说只招聘博士以上学历，而且要求很高，不过待遇也很好。

以下是参考资料。是今年一月发布的。

为加快实施创新驱动发展战略，由复旦大学与华大半导体联合申报的上海碳化硅功率器件工程技术研究中心于2020年2月被上海市科委批准建立。中心通过与半导体器件生产和电力电子应用企业紧密合作，致力于研发基于宽禁带与超宽禁带半导体，特别是碳化硅（SiC）和氮化镓（GaN）材料为核心的新型功率器件、工艺和模块，加速下一代宽禁带半导体功率电子的广泛应用。工程中心将致力创建具备国际领先水平的宽禁带材料缺陷研究、器件制造工艺开发、元器件设计、模块封装以及可靠性测试、先进电力电子技术创新开放平台及高层次工程技术型人才培养中心和产业化辐射中心。中心成立以来，已承担多项宽禁带功率器件和模块重大项目，包括和龙头企业研发碳化硅器件的特色新工艺、与国家重点实验室开发超高压碳化硅器件和封装、参与多项省市科技重大专项等。中心正在积极建设宽禁带半导体工艺研发创新平台（复旦大学宁波研究院宽禁带材料与器件研究所），和国际知名企业共建创新中心和研究院。中心现有教授/研究员10人，其中特聘教授5人，副教授/青年研究员15人，超级博士后2人。中心招收宽禁带半导体物理与器件、半导体材料与集成电路、微纳器件系统集成、器件及可靠性测试、电力电子技术等方向的物理电子学硕士、博士研究生。

中心负责人张清纯教授，现任复旦大学特聘教授，博士生导师，上海碳化硅功率器件工程技术研究中心主任，复旦大学宁波研究院宽禁带半导体材料与器件研究所所长，复旦大学工程与应用技术研究院宽禁带半导体与超越照明研究所副所长，专长于宽禁带半导体物理与器件的教学、科研、应用与产业化，长期从事SiC器件的研发和产业化，是该领域国际知名专家。迄今已撰写100余篇科技论文和SiC器件领域专著；多次受邀在国际碳化硅、功率半导体的学术会议上作大会报告；作为第一和合作发明人，拥有100多项美国及国际专利；多次担任ISPSD技术委员会成员和碳化硅器件分会主席；曾任国际电力电子技术路线图研讨会联合主席等。

因研究工作需要，针对以下方向招聘博士后数名：

1)宽禁带半导体材料生长与缺陷表征技术

2)宽带半导体功率器件设计、先进制造工艺及器件可靠性评价

3)超宽禁带半导体材料、器件及工艺研究

4)高频高功率先进封装技术与可靠性测试

职位要求。

1)已获得或即将获得微电子、电力电子器件与应用、半导体物理与材料、半导体制造装备、材料科学与工程等相关专业的博士学位，具有扎实的理论基础和较强动手实践能力，至少具备相关领域一项相关研发经验

2)能独立开展研究工作，并具有优秀的团队合作精神，尤其是从事交叉性学科研究的能力，且具有优秀的动手能力和主动性；

3)具有良好的英语读写能力，可以独立撰写研究论文，具有功率半导体领域出色研发经历将获得优先考虑

电流瞬态谱自动化分析方法与系统，用于宽禁带半导体材料深能级缺陷的定量表征和分析。

背景技术：

宽禁带半导体材料包括sic、gan、金刚石等因其较大的禁带宽度和较高的击穿场强，是功率电力电子器件发展的优选材料，在轨道交通、汽车电子、航空航天、智能电网、新能源和武器装备领域具有重要的应用前景。半导体中缺陷的形成将影响器件的性能、稳定性和可靠性，因此研究缺陷的类型及能级分布对材料质量优化和器件制备至关重要。目前，对于宽禁带半导体材料，杂质和缺陷能级的检测主要采用深能级瞬态谱技术，即将该半导体材料制成p-n结，肖特基结或mos电容结构，在其空间电荷区上施加一个周期性的短暂电压脉冲，测量空间电荷区的势垒电容的瞬态变化。通过在不同温度条件下电容的变化，从而分析获得深能级中心的能级位置和浓度。但是对于宽禁带半导体材料，禁带宽度大于3ev，例如gan,sic、金刚石和氧化镓等新型半导体材料，特别是在高阻状态下或缺陷能级较深，电压脉冲无法产生足够数目的载流子，因此电容的变化极其微小，因此无法有效检测。另外，深能级瞬态谱技术也无法得到深能级缺陷的表观电离能和俘获截面等重要信息。

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