电子级金刚石晶体质量最佳，莱斯大学这项研究给出定量分析方法

随着宽禁带半导体在高功率电子、射频器件以及量子技术中的应用不断拓展，材料晶体质量已成为影响器件性能的重要因素。其中，位错等晶体缺陷会降低载流子迁移率、增加漏电流，并削弱器件击穿电压，因此，建立高效、准确且可规模化的缺陷表征方法，对材料研发和工艺优化具有重要意义。

近日，莱斯大学等研究团队研究团队提出了一套基于高分辨率X射线衍射（HRXRD）的高通量缺陷表征方法，并开发了配套Python分析工具，实现宽禁带半导体位错密度的自动化定量分析。在《Advanced Materials》发表题为High Throughput X-Ray Characterization of Defects in Wide-Bandgap Semiconductors的研究论文。论文通讯作者为张祥和Pulickel M. Ajayan。

图1 宽禁带半导体高通量缺陷表征工作流程示意图，集成了高分辨率X射线衍射测量、基于Python的自动化位错密度分析以及互补的拉曼光谱、蚀坑和霍尔测量。提取的缺陷指标为优化生长条件和提高晶体质量提供反馈。

金刚石凭借约5.5 eV超宽禁带、高于2000 W/(m·K)的热导率、高载流子迁移率以及超过10 MV/cm的击穿场强，被认为是极具潜力的新一代宽禁带半导体材料。然而，在化学气相沉积（CVD）生长及后续加工过程中产生的位错等晶体缺陷，会对器件性能造成显著影响，因此需要建立能够兼顾精度、效率和大面积检测能力的缺陷表征技术。

围绕这一目标，研究团队构建了一套完整的分析流程。研究以高分辨率X射线衍射测试为核心，通过获取X射线摇摆曲线（XRC）和倒易空间图（RSM），结合基于马赛克块模型（Mosaic Block Model）的理论分析，对位错密度进行计算。与传统主要依赖摇摆曲线半高宽（FWHM）不同，论文采用积分峰宽（Integral Breadth）作为计算参数，以更全面反映衍射峰展宽特征，提高缺陷密度评估的准确性。

为了实现高通量分析，作者开发了Python自动化分析工具，可自动完成峰拟合、参数提取及位错密度计算，大幅缩短数据处理时间，并减少人工分析带来的差异。随后，研究又结合拉曼光谱、氢等离子体刻蚀坑（Etch Pit）分析以及霍尔测试，对HRXRD所得结果进行了多维度验证，形成结构表征与电学性能相互印证的分析框架。

论文以四种商业单晶金刚石衬底作为研究对象，包括HPHT金刚石、普通级同质外延CVD金刚石、电子级同质外延CVD金刚石以及异质外延CVD金刚石，其位错密度覆盖约10⁵～10⁸ cm⁻²。结果显示，电子级CVD金刚石表现出最窄的摇摆曲线、最低的位错密度以及最佳晶体质量；异质外延CVD金刚石则因晶格失配和应力影响，具有最高的位错密度和最明显的晶格畸变。拉曼测试、刻蚀坑统计及霍尔迁移率测试均呈现出一致的变化趋势，验证了HRXRD分析方法的可靠性。

此外，作者还将该Python分析工具应用于GaN材料，仅通过调整晶体结构参数和衍射几何条件，即完成了不同GaN样品的位错密度分析，并得到符合材料生长规律的结果。这表明，该方法不仅适用于金刚石，也具备推广至GaN、SiC等其他宽禁带半导体材料体系的潜力。

研究认为，这一工作建立了一种兼具自动化、高通量和可扩展性的宽禁带半导体缺陷分析平台。通过将HRXRD测试、自动化数据处理以及多种验证手段结合，不仅能够实现位错密度的快速、可重复定量分析，还可将分析结果反馈至晶体生长工艺优化，为金刚石及其他宽禁带半导体材料的质量提升、晶圆筛选以及器件制造提供更加高效的技术支撑。