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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弹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 。
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