金剛石單晶拋光片位錯(cuò)密度測(cè)試方法標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)報(bào)告EnglishTitle:StandardizationProjectReportonTestMethodforDislocationDensityofDiamondMonocrystallinePolishedWafers摘要本報(bào)告旨在闡述《金剛石單晶拋光片位錯(cuò)密度測(cè)試方法》標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)的目的意義、適用范圍及主要技術(shù)內(nèi)容。半導(dǎo)體金剛石作為超寬禁帶半導(dǎo)體材料的代表，具有載流子遷移率高、擊穿場(chǎng)強(qiáng)高、熱導(dǎo)率優(yōu)異等物理特性，在大功率電力電子器件、深紫外光電子器件、高溫高頻器件和輻射探測(cè)器等領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。然而，位錯(cuò)密度過(guò)高嚴(yán)重制約了其器件性能與可靠性。本標(biāo)準(zhǔn)采用干法刻蝕結(jié)合顯微觀察的方法，建立了一套經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、安全的位錯(cuò)密度測(cè)試方法，以單位面積刻蝕坑數(shù)量表示位錯(cuò)密度，為半導(dǎo)體金剛石材料的研發(fā)、生產(chǎn)與應(yīng)用提供統(tǒng)一、可靠的質(zhì)量評(píng)價(jià)依據(jù)。該標(biāo)準(zhǔn)的制定將有力推動(dòng)我國(guó)半導(dǎo)體金剛石產(chǎn)業(yè)鏈的完善與提升，符合國(guó)家新材料發(fā)展戰(zhàn)略和“3060碳戰(zhàn)略”需求，對(duì)促進(jìn)高技術(shù)產(chǎn)業(yè)自主創(chuàng)新與國(guó)際化競(jìng)爭(zhēng)具有重要意義。關(guān)鍵詞：金剛石單晶；位錯(cuò)密度；測(cè)試方法；干法刻蝕；半導(dǎo)體材料；超寬禁帶半導(dǎo)體；標(biāo)準(zhǔn)化Keywords:Diamondmonocrystal;Dislocationdensity;Testmethod;Dryetching;Semiconductormaterial;Ultra-widebandgapsemiconductor;Standardization正文一、立項(xiàng)背景與目的意義半導(dǎo)體材料是國(guó)家科技與產(chǎn)業(yè)發(fā)展的核心基礎(chǔ)，尤其在國(guó)防軍工、新一代信息技術(shù)、新能源等戰(zhàn)略領(lǐng)域中具有不可替代的地位。近年來(lái)，國(guó)際技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。例如，2023年8月12日，美國(guó)對(duì)超寬禁帶半導(dǎo)體材料實(shí)施新的出口管制，進(jìn)一步凸顯了金剛石半導(dǎo)體技術(shù)的戰(zhàn)略價(jià)值。我國(guó)自2018年起，通過(guò)《新材料標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行動(dòng)計(jì)劃（2018–2020）》等政策，明確提出要推進(jìn)先進(jìn)半導(dǎo)體材料的標(biāo)準(zhǔn)化工作，以規(guī)范行業(yè)發(fā)展、推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。金剛石作為超寬禁帶半導(dǎo)體，具備載流子遷移率高、熱導(dǎo)率極高、耐高壓、抗輻射等優(yōu)異性能，是研制下一代高功率、高頻、高溫電子器件的理想材料。此外，半導(dǎo)體金剛石的高能效特性有助于應(yīng)對(duì)全球能源與環(huán)境挑戰(zhàn)，支持我國(guó)“3060”雙碳目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。目前，我國(guó)在高溫高壓合成單晶金剛石方面已具備全球領(lǐng)先的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，年產(chǎn)量達(dá)300萬(wàn)克拉，占世界總產(chǎn)量的90%以上?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）法制備的單晶金剛石也逐步擴(kuò)大應(yīng)用規(guī)模，年產(chǎn)量超過(guò)95.8萬(wàn)克拉，主要應(yīng)用于精密加工、光學(xué)窗口及聲學(xué)器件等領(lǐng)域。然而，在面向探測(cè)器、場(chǎng)效應(yīng)晶體管等高技術(shù)應(yīng)用的高質(zhì)量半導(dǎo)體金剛石方面，我國(guó)仍處于研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化初期，產(chǎn)業(yè)鏈尚未成熟。西安電子科技大學(xué)、中科院半導(dǎo)體所、中國(guó)電科十三所等多所高校與科研機(jī)構(gòu)正積極開(kāi)展相關(guān)研究。位錯(cuò)密度是衡量半導(dǎo)體金剛石晶體質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)，高位錯(cuò)密度會(huì)顯著降低器件的性能與可靠性。因此，建立統(tǒng)一、科學(xué)的位錯(cuò)密度測(cè)試方法至關(guān)重要。本標(biāo)準(zhǔn)提出采用氫氣與氧氣干法刻蝕結(jié)合顯微圖像分析的技術(shù)路徑，具備經(jīng)濟(jì)性、安全性及設(shè)備通用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠?yàn)椴牧涎兄?、生產(chǎn)與應(yīng)用提供可靠支撐。二、范圍與主要技術(shù)內(nèi)容1.范圍本標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了基于干法刻蝕與顯微觀察的半導(dǎo)體金剛石單晶位錯(cuò)密度測(cè)試方法，適用于具有光滑表面的單晶金剛石襯底及其外延材料。2.測(cè)試原理本方法利用氫氧混合氣體在等離子體狀態(tài)下對(duì)金剛石表面進(jìn)行各向異性刻蝕。由于位錯(cuò)周圍原子鍵合力較弱，氧原子優(yōu)先與該區(qū)域發(fā)生反應(yīng)，導(dǎo)致位錯(cuò)處刻蝕速率高于完整晶格區(qū)域，從而形成特征明顯的刻蝕坑。通過(guò)光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡對(duì)刻蝕坑進(jìn)行形貌觀察與統(tǒng)計(jì)，計(jì)算單位面積內(nèi)的坑數(shù)量，即可得出位錯(cuò)密度，單位為個(gè)/平方厘米（個(gè)/cm2）。3.主要內(nèi)容標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)容包括術(shù)語(yǔ)定義、方法原理、設(shè)備要求、樣品制備、刻蝕工藝參數(shù)、顯微觀測(cè)方法、統(tǒng)計(jì)計(jì)算方法、結(jié)果表示及試驗(yàn)報(bào)告要求等。重點(diǎn)明確氣體比例、射頻功率、刻蝕時(shí)間等關(guān)鍵工藝參數(shù)，以及圖像采集與坑計(jì)數(shù)規(guī)則，確保測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性與可比性。三、參與單位介紹中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所是我國(guó)最早從事半導(dǎo)體技術(shù)研究的綜合性研究所之一，在寬禁帶半導(dǎo)體材料與器件領(lǐng)域積累深厚。該所承擔(dān)了多項(xiàng)國(guó)家級(jí)科研項(xiàng)目，在金剛石半導(dǎo)體外延、器件設(shè)計(jì)與制備等方面具有顯著技術(shù)優(yōu)勢(shì)，并牽頭或參與制定了多項(xiàng)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。在本標(biāo)準(zhǔn)的研制中，十三所負(fù)責(zé)方法驗(yàn)證與工藝參數(shù)優(yōu)化，確保標(biāo)準(zhǔn)的科學(xué)性與實(shí)用性。結(jié)論《金剛石單晶拋光片位錯(cuò)密度測(cè)試方法》的制定，將填補(bǔ)國(guó)內(nèi)在該技術(shù)領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)空白，為我國(guó)半導(dǎo)體金剛石材料的質(zhì)量評(píng)價(jià)提供統(tǒng)一依據(jù)，對(duì)提升材料一致性、推動(dòng)器件產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程具有重要作用。該標(biāo)準(zhǔn)方法成熟、操作簡(jiǎn)便、適用性強(qiáng)，預(yù)期可在科研、生產(chǎn)與質(zhì)檢中廣泛應(yīng)用。未來(lái)，隨著半導(dǎo)體金剛石在5G通信、能源互聯(lián)網(wǎng)、新能源汽車等領(lǐng)域的深入應(yīng)用，本標(biāo)準(zhǔn)將持續(xù)發(fā)揮技術(shù)支撐與行業(yè)引領(lǐng)作用，并為國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化工作輸出“中國(guó)方案”。參考文獻(xiàn)：[1]《新材料標(biāo)準(zhǔn)領(lǐng)航行