无损无接触定量评价！GaN晶体质量评估新思路——ODPL法！

随着疫情三年的结束，大家又开始马不停蹄出差、旅游、返乡，生活的压力让人喘不过气。更别提出行的时候，还需要背一个很沉的电脑，以及与它适配的、同样很沉的、形状不规律的、看着就很糟心的电源适配器！

有没有一种东西，能够让大家的出行变得更加轻松（物理上）？

那必须是现在越来越流行的氮化镓（GaN）充电器了！一个氮化镓充电器几乎可以满足所有出行充电的需求，并且占地空间小，简直是出行神器！

图1 氮化镓（GaN）充电器

氮化镓是一种无机物，化学式GaN，是氮和镓的化合物，一种直接能隙（direct bandgap）的半导体材料。GaN材料具有宽禁带、高临界电场强度和高电子饱和速度等特点，其器件耐高温、耐高压、高频和低损耗，大大提升电力器件集成度，简化了电路设计和散热支持，具有重要的价值和广泛的应用，是现在最 火热的第三代半导体材料，没有之一。GaN的应用不止在流行的充电器上，早在2014年日本科学家天野浩就凭借基于GaN材料的蓝光LED获得了诺贝尔奖。

不过GaN就没有缺点了吗？或者说GaN没有改善的地方了吗？

并不是， GaN技术的难点在于晶圆制备工艺。由于制备GaN的单晶材料无法从自然界中直接获取，所以GaN的主要制备方法是在蓝宝石、碳化硅、硅等异质衬底上进行外延。而现在由异质外延生长的GaN普遍存在大量缺陷的问题。缺陷的存在势必会影响到晶体的质量，从而影响到材料和器件的电学性能，最 终影响到未来半导体科技的快速发展。因此，降低GaN晶体里面的缺陷量，提高晶体质量，是当前第三代半导体领域研究很重要的一个课题。

GaN晶体质量/缺陷评估的方法

GaN晶体里面的杂质、缺陷是非常错综复杂的，无法单纯通过某一项缺陷浓度或者杂质含量来定量描述GaN晶体是否是高质量，因此现在评价GaN晶体质量的手段比较有限。根据现有的报道，大致有以下几种：多光子激发光致发光法（Multiphoton-excitation photoluminescence method，简称MPPL）、蚀坑观察法（Etch pit method）以及二次离子质谱（Secondary-ion mass spectrometry，简称SIMS)。

MPPL法

多光子激发光致发光法采用长波长激发，远大于带边荧光波长。激发过程需要同时吸收二个或者多个光子。通过吸收多个脉冲光子，在导带和价带形成电子空穴对，随后非辐射驰豫到导带底和价带顶,最 后产生带边发光和缺陷发光。通过滤波片获得带边和缺陷发光光谱和光强，改变入射光斑的位置，从而得到样品的荧光信号三维分布，即三维成像。多光子荧光三维成像技术可以识别和区分不同类型的位错，但是无法定量评估GaN的晶体质量，而且多光子激发的系统造价高。

图2 (a) Optical microscope image of etch pits. (b) 42 × 42 μm2 2D MPPL image taken at a depth of 22 μm. (c) 42 × 42 × 42 μm3 3D MPPL image, shown with contrast inverted

参考文献：

Identification of Burgers vectors of threading dislocations in free-standing GaN substrates via multiphoton-excitation photoluminescence mapping' by Mayuko Tsukakoshi et al; Applied Physics Express, Volume 14, Number 5 (2021)

蚀坑观察法

蚀坑观察法通过适当的侵蚀可以看到位错的表面露头，产生比较深的腐蚀坑，借助显微镜可以观察晶体中的位错多少及其分布。该方法只适合于位错密度低的晶体，如果位错密度高，蚀坑互相重叠，就很难将它们区分。并且该方法是对晶体有损伤的，做不到无损无接触。

图3 蚀坑观察法

SIMS技术

SIMS是利用质谱法分辨一次离子入射到测试样品表面溅射生成的二次离子而得到材料表面元素含量及分布的一种方法。SIMS可以进行包括氢在内的全元素分析，并分辨出同位素、化合物组分和部分分子结构的信息。二次离子质谱仪具有ppm量级的灵敏度，最 高甚至达到ppb的量级，还具有进行微区成分成像和深度剖析的功能。但是SIMS对晶体有损伤，无法做到无损。

图4 SIMS技术

以上三种技术均是评估GaN晶体缺陷的方法，但是每一种都有其缺憾的地方，它们无法做到定量的去评价GaN晶体的质量，而且具有破坏性。为了更好地定量评估GaN晶体质量，滨松公司和日本Tohoku University的Kazunobu Kojima教授以及Shigefusa Chichibu教授从2016年开始合作研发了一套基于积分球的全向光致发光系统（Omnidirectional Photoluminescence，以下简称ODPL），该系统是第 一个无损无接触定量去评价GaN晶体质量的方法/系统。

ODPL系统

ODPL系统是首 个无接触无损评价半导体材料晶体质量的方法，通过积分球法测量半导体材料、钙钛矿材料的内量子效率。该产品可以直接测量材料 IQE，具有制冷型背照式 CCD 高灵敏度以及高信噪比。

图5 ODPL测量方法示意图

传统光致发光的量子效率测量指的是晶体的PLQY，即光致发光量子效率，其定义为：

PLQY = 样品发射的光子数/样品吸收的光子数

图6 GaN样品在积分球下的发射光谱

PLQY是表征晶体发光效率最 常见的参数之一，对于绝大多数的发光材料，PLQY都是黄金标准。但是对于GaN晶体，PLQY的表征显得不足。上图可见，GaN的光致发射光谱呈双峰形状，这是由于GaN晶体中的缺陷等，会将GaN本身发射的PL再次吸收然后发射（光子回收Photon Recycling现象）。

图7 ( a ) PL and ODPL spectra of the HVPE / AT - GaN crystal and ( b ) detectable light - travelling passes considered in the simulation of light extraction :(1) direct escaping from the surface :( ii ) scattered at the bottom and escaping from the surface : and ( ii ) direct eseaping from the edge .( c ) Refractive index and absorption spectra of HVPE / AT - GaN .

因为存在Photon Recycling的现象，GaN的PLQY不足以表征其发光转化效率，而真正可以表征GaN晶体发光转化效率的定义是其真正的内量子效率：

IQE = 样品产生的光子数/样品吸收的光子数

图8  GaN样品的标准发射光谱

IQE是GaN晶体的PLQY考虑LEE和光子回收现象以后的参数，更能直观、定量反映GaN晶体的质量。

图9  高IQE和低IQE晶体的对比

高IQE的GaN晶体通常表现为：高载流子浓度、低穿透位错密度、低杂质浓度、低点缺陷浓度、高激发功率密度。

图10 不同穿透位错密度晶体的IQE结果对比

免费样机预约ODPL

现在ODPL样机开放免费预约试 用活动，有意向的客户请在评论区留言“样机试 用”小编看到之后会第 一时间与您联系，样机数量有限，先到先得哟~

图11 ODPL样机展示

以上有关新品的信息已经全部介绍完毕了，如有任何疑问，欢迎在评论区留言哟。

       涂层厚度是一个重要的工艺参数，在产品质量、过程控制和成本控制中都发挥着非常重要的作用。目前，许多不同种类的仪器和方法都可以用来测量涂层的厚度，但在选取合适的测量方法时需要考虑各种因素，比如涂层类型、基体材料、涂层厚度范围、被测件的形状和尺寸等。

       AIM Systems 有限责任公司是一家专注于工业涂布涂覆无损检测技术的德国光电科技公司，集研发、生产、销售和服务为一体，拥有非接触无损涂层检测的技术和产品。AIM Systems公司生产的CoatPro非接触无损涂层测厚仪采用光热红外法工作原理，可以在线或离线对涂层厚度进行无损非接触式测量，测量时间短适用范围广，可以有效地帮助客户控制质量，节约成本，为客户的产线升级提供可靠的自动化检测手段，并未客户优化工艺提供重要的数据支持。

 CoatPro非接触无损涂层测厚仪的技术优势如下：

• 非接触无损测量

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• 适用于各种材料上的各种涂层测厚，可在曲面、粗糙表面和各种厚度的基底上测量

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• 可在线实时测量

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• 同类技术中的zui高精度

• 适用范围广：底材材质不限(金属、塑料、橡胶、复合材料等），涂料种类不限（油漆、粉末涂料、粘胶剂、润滑涂层等）

药物包装材料的密封性是影响药品质量至关重要的一项物理性监测指标。为更好的保证药品包装安全，除了在包装设计上要别出心裁，在生产过程中也要严格把关，其中药品包装检测便是关键环节之一。为了更好保障药品质量，药品包装企业检测药品包装的密封性成为必要。

所谓密封性，是指包装袋避免其他物质进入或内装物逸出的特征，在药品包装袋的生产过程中，因为生产环节比较多，可能会产生热封合的漏封、压穿或材料本身的裂痕、微孔，而造成内外连通的小孔或强度薄弱点。所以如果密封性能不达标，外界水汽等就会进去药包材内接触内部药品，药物就会受潮、失效甚至是变质等，危害患者的身体健康。因此，药品在整个有效期内包装要有完好的密封性包装，药包材必须要经过专业的严格的密封性能测试。

济南赛成电子科技有限公司自主研发生产的MK-1000无损密封性测试仪，又称真空衰减法检漏仪，采用非破坏性测试方法，也称为真空衰减法，专业适用于安瓿瓶、西林瓶、注射剂瓶、冻干粉针剂瓶和预灌封包装样品的微泄漏检测。

测试标准

该仪器符合多项国家和国际标准：

1．YY/T 0681.18-2020:《无菌器械包装试验方法 第18部分：用真空衰减法无损检验包装泄漏》

2．ASTM F2338-13 包装泄漏的标准检测方法-真空衰减法

3．SP1207美国药典标准

技术指标

1．屏幕尺寸:10英寸触摸屏

2．真 空 度:低至10Pa优良真空

3．精　　度:0.25级

4．检测孔径精度:5 μm

5．测试腔:尺寸、种类根据试样特殊定制

6．真空来源:真空泵

7．测试系统:双传感器技术

8．外形尺寸:470 mm (L) × 360 mm (B) × 300 mm (H)

9．电源:AC 220 V 50 Hz

10．净　　重:12 kg

济南赛成仪器一直致力于为客户提供高性价比的整体解决方案，公司的核心宗旨就是持续创新，打造高精尖检测仪器，满足行业内不同客户的品控需求，期待与行业内的企事业单位增进交流和合作。

赛成仪器，赛出品质，成就未来！

EDXRF 能量色散荧光光谱仪 EDX9000A 无损测定 Ni-Mn-Co 催化剂合金成分

使用一系列已知Ni、Mn、Co含量的催化剂合金片标准样品，在能量色散X射线荧光光谱仪EDX9000A上直接测量Ni-Mn-Co的特征X射线强度，并比较含量Ni、Mn 和 Co 及其特征 X 射线强度拟合并建立工作曲线。测量未知样品时，利用测得的 Ni、Mn 和 Co 的特征 X 射线强度，通过工作曲线获得 Ni、Mn 和 Co 的含量。采用EDXRF法测定Ni-Mn-Co催化剂合金中Ni、Mn、Co的含量范围分别为65%~88%、10%~35%、1%~10%，测定Ni、Mn、Co（n=6）精度分别为0.3%、1%、4%

GaN材料及其制备工艺

在理论上，GaN 材料的击穿电场强度（约3×106V/cm）与SiC 材料接近，但受半导体工艺、材料晶格失配等因素影响，GaN 器件的电压耐受能力通常在1000V 左右，安全使用电压通常在650V 以下。随着各项技术难点的攻克和先进工艺的开发，GaN 必将作为新一代GX电源器件的制备材料。
（一）GaN 材料结构及特性
GaN 是Ⅲ-V 族直接带隙宽禁带半导体，室温下纤锌矿结构的禁带宽度为3.26eV。GaN 有3 种晶体结构形式，分别为纤锌矿结构、闪锌矿结构和岩盐矿（Rocksalt）结构。其中，纤锌矿结构是Ⅲ族氮化物中Z稳定的晶体结构，闪锌矿结构以亚稳相形式存在，而岩盐矿结构是在高压条件下产生的。纤锌矿结构的GaN 材料具有其他半导体所不具备的优异物理性能，如耐化学稳定性、chao强硬度、超高熔点等，所以，GaN 基半导体器件具有优异的耐压、耐热、耐腐蚀特性。图4 为GaN 的六方纤锌矿结构和GaN 单晶。
图4 GaN的六方纤锌矿结构（a）与GaN单晶（b）
（二）GaN 晶体的制备
GaN 的共价键键能较大（E=876.9kJ/mol），在2500℃熔点下，分解压大约为4.5GPa， 当分解压低于4.5GPa 时，GaN 不熔化直接分解。所以一些典型的平衡方法（如提拉法和布里奇曼定向凝固法等），不再适用于GaN 单晶的生长。目前，只能采用一些特殊的方法来制备单晶，主要包括升华法、高温高压法、熔融结晶法和氢化物气相外延法。其中，前3 种方法对设备和工艺都有严格要求，难以实现大规模的单晶生产，不能满足商业化的要求，而氢化物气相外延（Hydride Vapor-phaseEpitaxy，HVPE）方法是目前研究的主流。大多数可以商业化方式提供GaN 的均匀衬底都是通过这种方法生产的。该技术具有设备简单、成本低、发展速度快等优点。利用金属有机化合物化学气相沉淀（Metal-organic Chemical Vapor Deposition，MOCVD）技术可以生长出均匀、大尺寸的厚膜作为衬底。目前，该技术已经成为制备外延厚膜Z有效的方法，并且生长的厚膜可以通过抛光或激光剥离衬底，作为同质外延生长器件结构的衬底。
氢化物气相外延层的位错密度随外延层厚度的增加而减小，因此，只要外延层的厚度达到一定值，就可以提高晶体质量。通过HVPE 和空隙辅助分离法（Void-assisted Separation，VAS）可以制备具有高晶体质量和良好再现性的大直径独立GaN 晶片，如图5所示。采用表面覆盖氮化钛（TiN ）纳米网的多孔GaN 模板，通过HVPE 生长了厚GaN 层，在 HVPE 生长过程中，这种生长技术在 GaN层和模板之间产生了许多小空隙，当GaN层在生长以后容易与模板分开，并且获得独立的GaN 晶片，这些晶片直径较大，表面呈镜面状，无裂缝，位错密度低。
图5 HVPE+VAS法制备具有高晶体质量和大直径独立的GaN 晶片
此外，可以采用MOCVD-GaN / 蓝宝石衬底预处理工艺来制备GaN 厚膜。主要过程为采用等离子体化学气相沉积法在MOCVD-GaN/ 蓝宝石衬底上沉积一层厚度约500nm 的SiO2，然后用电子蒸气机在衬底上蒸镀和锻造一层厚度约20nm 的Ti。退火后在SiO2 表面形成自组装的Ni 纳米团簇，作为光刻掩模。光刻后，将基体置于热HNO3 和氧化腐蚀剂中。去除Ti 和SiO2 后，通过反应离子刻蚀技术沉积一层SiO2，去除表面的SiO2，形成一层SiO2 包裹在边缘的GaN 纳米柱。Z后用HVPE 法在表面生长GaN，在冷却过程中，GaN 发生自剥离。图6 为HVPE 和纳米簇自剥离技术制备GaN 单晶的过程示意图。
图6 HVPE+纳米簇自剥离技术制备GaN单晶
上述方法不仅可以实现衬底的自剥离，而且可以形成一种特殊的结构，可以缓冲晶体的生长速度，从而提高晶体的质量，减少内部缺陷。但这些预处理方法相对复杂，会浪费大量时间，并且增加GaN 单晶的成本。
（三）GaN 异质衬底外延技术
由于GaN 在高温生长时N 的离解压很高，很难得到大尺寸的GaN 单晶材料，因此，制备异质衬底上的外延GaN 膜已成为研究GaN 材料和器件的主要手段。目前，GaN的外延生长方法有：HVPE、分子束外延（MBE）、原子束外延（ALE）和MOCVD。其中，MOCVD 是Z广泛使用的方法之一。
当前，大多数商业器件是基于异质外延的，主要衬底是蓝宝石、AlN、SiC 和Si。但是，这些基板和材料之间的晶格失配和热失配非常大。因此，外延材料中存在较大的应力和较高的位错密度，不利于器件性能的提高。图7 为衬底材料的晶格失配和热失配关系示意图。
图7 衬底材料的晶格失配和热失配关系
1. SiC 衬底上GaN 基异质结构的外延生长
由于SiC 的热导率远远高于GaN、Si和蓝宝石，所以SiC 与GaN 的晶格失配很小。SiC 衬底可以改善器件的散热特性，降低器件的结温。但GaN 和SiC 的润湿性较差，在SiC 衬底上直接生长GaN 很难获得光滑的膜。AlN 在SiC 基体上的迁移活性小，与SiC 基体的润湿性好。因此，通常在SiC 基板上用AlN 作为GaN 外延薄膜的成核层，如图8 所示。许多研究表明，通过优化AlN 成核层的生长条件可以改善CaN 薄膜的晶体质量。但生长在GaN 成核层上的GaN 薄膜仍然存在较大的位错密度和残余应力。AlN的热膨胀系数远大于GaN，在AlN 上生长的GaN 薄膜在冷却过程中存在较大的残余拉应力。拉伸应力会在一定程度上积累，并以裂纹的形式释放应力。另外，AlN 的迁移活性较低，难以形成连续的膜，导致在AlN 上生长的GaN 薄膜位错密度较大。GaN 薄膜中的裂纹和位错会导致器件性能下降甚至失效。由于晶格失配较小，一旦润湿层和裂纹问题得到解决，SiC 衬底上的GaN 晶体质量要优于Si 和蓝宝石衬底上的GaN晶体，因此，SiC 衬底上的GaN 异质结构2DEG 的输运性能更好。
图8 AlN作为过渡层的微观形貌
2. Si 衬底上GaN 基异质结构的外延生长
目前，GaN 基电力电子器件的成本与Si 器件相比仍然非常昂贵。解决成本问题的唯yi途径是利用Si 衬底外延制备GaN 基异质结构，然后利用互补金属氧化物半导体（Complementary Metal Oxide Semiconductor，CMOS）技术制备GaN 基器件，使器件的性价比超过Si 器件。但与SiC 和蓝宝石衬底相比，Si 衬底外延GaN 要难得多。GaN（0001）与Si（111）的晶格失配率高达16.9%，热膨胀系数失配（热失配）高达56%。因此，Si 衬底上GaN 的外延生长及其异质结构在应力控制和缺陷控制方面面临着严峻的挑战。
外延层材料的晶格常数差异，会导致Si 和GaN 外延层界面处的高密度位错缺陷。在外延生长过程中，大多数位错会穿透外延层，严重影响着外延层的晶体质量。但由于两层热膨胀系数不一致，高温生长后冷却过程中整个外延层的内应力积累很大，发生翘曲并导致外延层开裂。随着衬底尺寸的增大，这种翘曲和开裂现象会越来越明显。
目前，插入层和缓冲层被广泛应用于解决Si 衬底上GaN 异质外延的应力问题，目前主流的3 种应力调节方案如图9 所示。
图9 目前主流的3种应力调节方案（a）低温AlN插入层结构；（b）GaN/AlN超晶格结构；（c）AlGaN缓冲层结构
插入层技术是引入一个或多个薄层插入层来调节外延层的内应力状态，平衡在冷却过程中由热失配和晶格失配引起的外延层的拉应力，目前采用低温AlN 作为插入层来调节应力状态，如图9（a）所示。
缓冲层技术提供了压缩应力来调整外延膜中的应力平衡，目前常用的是AlGaN 梯度缓冲和AlN/(Al)GaN 超晶格缓冲，如图9（b）、（c） 所示。上述方法都能提供压应力来平衡Si 基GaN 的拉应力，使整个系统趋于应力平衡。当然，这些方法不能完全解决应力问题。缓冲层的应力调节机制尚不明确，有待于进一步探索和优化。
另外，还有报道采用表面活化键合（SAB）的低温键合工艺将GaN 层转移到SiC 和Si 衬底上，在室温下直接键合制备GaN-on-Si 结构和GaN-on-SiC 结构， 通过氩（Ar）离子束源对晶圆表面进行活化。在表面活化后，两片晶圆将被结合在一起。与Al2O3（蓝宝石）和SiC 衬底上生长的异质外延层的质量相比，Si 衬底上GaN 基异质结构的质量和电性能仍有很大差异。特别是Si 衬底上GaN 外延层存在残余应力和局域陷阱态。这些应力和缺陷控制问题没有从根本上得到解决，导致材料和器件的可靠性问题尤为突出。因此，如何在高质量的Si 衬底上制备GaN 基异质结构仍是该领域的核心问题之一。

结束语

高频、大功率、抗辐射、高密度集成宽禁带半导体电子器件的研制，需要优良的材料作基础支撑。高品质的SiC和GaN 器件需要利用外延材料制备有源区，因此，低缺陷衬底和高质量外延层对器件性能起着至关重要的作用。近年来，SiC 和GaN功率器件的制造要求和耐压等级不断提高，对衬底和异质结构（GaN-on-SiC、GaN-on-Si）的缺陷密度及外延薄膜内部的应力平衡状态都提出了更高的要求，目前通过利用AlN 作为过渡层、超晶格缓冲层等提供压应力，进而调节外延层的内部应力以平衡状态，未来对应力调控尚有大量的工作需要进行探索和优化。