原子力显微镜是以扫描隧道显微镜为基础发展而来的一种可用来研究包括 绝缘体在内的各种纳米材料表面结构的分析仪器。它可在真空、大气及常温等 不同环境下工作，无需特别的制样技术，检测过程对样品无损伤，在平行和垂 直于样品表面方向的分辨率分别可达0.1nm和0.01nm，即可以分辨出单个原 子，具有原子级的分辨率。随着技术的不断进步，原子力显微镜已经由最初的 表面形貌和结构表征发展到可对样品的表面电学、磁学、力学等性质进行检测 的同时，还能进行刻蚀和操纵等纳米加工，拓展了原子力显微镜的应用范围。
III族氮化物是指氮化镓，氮化铟，氮化铝以及三元合金，是近年来半导体 材料领域的研究热点。它的应用领域包括蓝、绿光发光二极管、激光二极管， 高频、高温电子器件，太阳能电池等。随着缓冲层技术与III族氮化物P型掺杂 技术的成熟，III族氮化物材料的研究已取得了阶段性的成果。如InGaN等高亮 度蓝、绿光发光二极管目前已实现产业化。而日本的日亚公司(Nichia)和美国的 Cree公司等著名生产商多年来也一直在从事氮化镓基发光二极管的生产和研 究。但由于没有完美匹配的衬底材料，外延生长的III族氮化物单晶薄膜中往往 包含有大量的位错。位错的类型主要有三种：①纯刃型位错，其伯格斯矢量为 1/3<11-20>，位错线方向为[0001]，②混合型位错，其伯格斯矢量为1/3<11- 23>，位错线方向为[0001]方向偏10度，③纯螺型位错，其伯格斯矢量为 <0001>，位错线方向为[0001]。由于III族氮化物中的位错所形成的非辐射复合 中心，对III族氮化物器件的发光性能有较大影响，它能大大降低发光二极管的 发光效率，减少激光器的使用寿命。有研究表明：具有螺型位错分量的位错 (即混合型位错与纯螺型位错)所引起的非辐射复合作用是影响III族氮化物发 光性能的主要因素，而纯刃型位错对非平衡少数载流子的非辐射复合作用较 小。所以，为了进一步提高III族氮化物基光电器件的性能，促进该材料在发光 二极管等光电产业的进一步发展，如何准确判断III族氮化物单晶薄膜材料中的 位错类型尤为关键。
据文献报道，目前判断III族氮化物位错类型最直接有效的方法是：将待检 样品制备成可用于透射电子显微镜观测的横截面样品，通过透射电子显微镜不 同衍射方向可检测出样品横截面中各种位错剖面的形貌。但该方法的主要问题 是透射电子显微镜检测需对样品进行切面、研磨、离子减薄等多道工序，制样 复杂且周期长，制样过程中对样品可能存在损伤和污染，制样后的样品无法再 用于其它光电性能测试；而目前扫描电子显微镜和原子力显微镜等测试手段只 能对酸或碱腐蚀后III族氮化物单晶表面形貌进行表征，根据位错处形成的腐蚀 坑统计位错密度，却无法判别位错类型。基于原子力显微镜对III族氮化物单晶 测定同位位错腐蚀速率来判定其表面位错类型和统计不同类型位错的密度是本 技术领域所要研究的主要课题。

针对III族氮化物单晶表面中的位错对半导体器件发光效率的影响及对位错 类型检测的不足，本发明的目的旨在提出一种评估III族氮化物单晶表面位错的 检测方法，利用原子力显微镜精确评估外延生长III族氮化物单晶的质量，解决 III族氮化物基光电器件在发光二极管等光电领域发展的瓶颈问题。
本发明的目的，将通过以下技术方案来实现：
一种评估III族氮化物单晶表面位错的检测方法，基于原子力显微镜测试每 次腐蚀后样品的表面形貌特征，以判断位错类型和密度。其特征步骤包括：
(1)、在III族氮化物单晶的待检样品表面上标记出检测区域：利用纳米压痕 仪使用金刚石探针在待测任意形状III族氮化物单晶样品的中心区域划四个十 字，构成一面积约为10×10～100×100μm的长方或正方形，所划线长约2～ 5μm；或利用原子力显微镜电致氧化纳米刻蚀的方法在任意形状III族氮化物单 晶样品的中心区域刻蚀四个圆点，构成一面积约为10×10～100×100μm的长方 或正方形，圆点直径约1～2μm；
(2)、腐蚀前样品的形貌表征：利用原子力显微镜配置的光学显微镜定位到 步骤(1)所标记的测试区域，设定不同的扫描范围对该区域由大到小的各种表面 形貌进行表征；
(3)、利用酸性或碱性的腐蚀性溶液在适当的温度条件下对待检样品进行限 定时间的湿法腐蚀；
(4)、用去离子水及丙酮，乙醇等有机溶剂清洗去除待检样品表面的腐蚀性 溶液；
(5)、利用原子力显微镜定位步骤(1)所述的检测区域，扫描样品并记录扫描 范围内所有位错的数量及每个位错坑的横向面积和纵向深度参数；
(6)、至少两次重复步骤(3)～步骤(5)，对待检样品进行定时腐蚀和表面形貌 扫描，统计并记录每次扫描各位错坑的参数变化结果；
(7)、对多次记录的位错坑参数结果进行统计分析，分别得出每个位错坑横 向和纵向的腐蚀速率，根据腐蚀速率判定各位错对应的类型，并对所有位错进 行按类型划分的数量统计。
进一步地，步骤(1)中所述检测区域的标记方法包括利用金刚石探针在任意 形状的待测样品上刻划十字的轮廓标记；或利用导电探针电致氧化纳米刻蚀法 在待检样品上刻蚀圆点的轮廓标记，且由这些轮廓标记构成如长方形、正方形 或其他规则形状便于原子力显微镜扫描的检测区域。
进一步地，步骤(7)中所述腐蚀速率是指每次腐蚀后单位腐蚀时间内腐蚀坑 的横向面积或纵向深度的变化量。根据理论计算：刃位错能量最低，因此其腐 蚀速率最慢；螺位错能量更高，腐蚀速率更快；而混合位错的能量最高，故而 腐蚀速率最快。经过适当的腐蚀后，不同类型的位错所对应的腐蚀速率也各不 相同。位错腐蚀速率的计算可根据每次腐蚀后腐蚀坑的横向面积或纵向深度的 变化量再除以腐蚀时间获得。
本发明III族氮化物单晶表面位错的检测方法，其实施的有益效果在于：
通过对III族氮化物样品单晶表面湿法腐蚀结合原子力显微镜同位观测，实 现了准确判定单晶表面位错类型，提高了III族氮化物基光电器件的性能评定效 率，进而促进了该材料在发光二极管等光电产业的进一步发展，也为科学活动 中关于薄膜材料位错腐蚀动力学的研究提供了启示。
附图说明
图1是本发明检测方法的流程示意图；
图2a和图2b是本发明检测区域进行标记定位方式的示意图；
图3是本发明实施例中氮化镓单晶未被腐蚀时利用原子力显微镜在标记区 域测得的2×2μm范围形貌图，并对图中的所有位错坑进行了标记。
图4是本发明实施例中氮化镓单晶被腐蚀10分钟后，利用原子力显微镜 在标记区域测得的2×2μm范围形貌图，并对图中的所有位错坑进行 了标记。
图5是本发明实施例中氮化镓单晶再次被腐蚀10分钟后，利用原子力显 微镜在标记区域测得的2×2μm范围形貌图，并对图中的所有位错坑 进行了标记。

为使本发明针对III族氮化物单晶表面位错检测方法的实质及有益效果更易 于理解，以下就利用MOCVD以蓝宝石c面为衬底生长的氮化镓单晶新鲜样品 进行腐蚀并同位检测位错的腐蚀速率的过程为例，进一步详细而非限制性地说 明本发明的具体实施方式。
据了解经理论计算：纯刃型位错能量最低，其腐蚀速率最慢；纯螺型位错 能量更高，其腐蚀速率更快；而混合型位错的能量最高，其腐蚀速率最快。故 而经过适当的腐蚀后，不同类型的位错所对应的腐蚀速率也各不相同。位错腐 蚀速率的计算可根据每次腐蚀后位错坑的横向面积或纵向深度的变化量再除以 腐蚀时间获得，通过计算得到的位错腐蚀速率判断位错类型。具体步骤如图1 本发明检测方法的流程示意图所示：
实施例一
第一步——精密定位检测区域：利用纳米压痕仪的金刚石探针在待测任意 形状的氮化镓单晶样品的中心区域刻划四个十字B1(如图2a所示)，构成一 面积约为50×50μm的正方形检测区域，所划线长约2μm，其划痕宽约1μm， 深2μm。
第二步——样品腐蚀前原始表面形貌扫描、表征：利用原子力显微镜配置 的光学显微镜定位到纳米压痕仪所划检测区域中心，对该区域由大到小分别扫 描50×50μm，20×20μm，10×10μm，5×5μm，2×2μm范围的形貌图，选定 如图3所示的正方形作为同位测试区域，统计可得该区域位错总数如图3所示 为15个，其中标记符号为1的位错坑面积最大，约为70.8nm2，而标记符号为 2、4、5、6、7、9、10、12、14的位错坑面积相当，均介于20～30nm2，余下 的标记符号为3、8、11、13、15的位错坑面积则小于15nm2。
第三步——对样品进行腐蚀：先取10ml浓度为85％的分析纯浓磷酸倒入 石英玻璃管中，然后将其浸入自制可控油浴平板电加热锅中，使得油浴液面和 石英玻璃管内浓磷酸液面基本相平，采用K型热电偶与温控仪进行测温和控 温。将温度加热到180℃，稳定3～5分钟，用镊子将氮化镓单晶放入石英玻璃 管中并腐蚀10分钟。
第四步——对腐蚀样品清洗：腐蚀后的氮化镓样品先用去离子水(电阻 率＞18MΩ·cm)流水清洗5分钟，再用丙酮(MOS级)超声清洗3次，每次 2分钟，最后用乙醇(MOS级)清洗3次，每次2分钟，然后用氮气吹干。
第五步——对腐蚀后的样品表面形貌扫描、表征：采用如第二步的方法定 位到检测区域，并利用原子力显微镜对图3所示正方形区域由大范围到小范围 采集形貌数据，经过统计该扫描范围内位错总数如图4所示仍为15个。其 中，腐蚀速率较快的有标记符号为1、2、5、6、9的位错共5个，其腐蚀速率 均大于33.0nm2/min，相对腐蚀速率稍慢的有标记符号为7、10、12、14的位 错共4个，其腐蚀速率介于10～25nm2/min，而标记符号为3、4、8、11、13、 15共6个位错的腐蚀速率很慢，均低于10nm2/min，腐蚀坑大小基本不变化。
第六步——重复上述步骤3～步骤5：在此腐蚀10分钟后，统计原子力显 微镜同位检测所述的位错总数如图5所示依然为15个，其中腐蚀速率较快的 有标记符号为1、4、6、7、9和10的位错共6个，其腐蚀速率均大于 54.0nm2/min，相对腐蚀速率稍慢的有标记符号为2、3、5和13的位错共4 个，其腐蚀速率介于25～38nm2/min，而标记符号为8、11、12、14和15共5 个位错的腐蚀速率较慢，均低于15nm2/min，腐蚀坑变化极小。
第七步——数据分析：根据以上两次腐蚀记录的腐蚀速率结果统计：其总 腐蚀速率大于100.0nm2/min分别有标记符号为1、6、7、9的位错，由于这4 个位错腐蚀速率最快，可判定为混合型位错；总腐蚀速率介于60.0～ 90.0nm2/min的有标记符号为2、4、5、10、12的位错，这5个位错坑腐蚀速 率与前4个位错腐蚀比较有一定的差距，可判定为纯螺型位错；而总腐蚀速率 小于30nm2/min的有标记符号为3、8、11、13、14、15的位错，这6个位错坑 经过两次腐蚀变化依然不大，而且腐蚀速率很小，故可判定为纯刃型位错。
实施例二
本发明检测方法还可以有其他实施方式，具体表现在步骤一的精密定位检 测区域方式上。即利用原子力显微镜电致氧化纳米刻蚀的方法在待测任意形状 的氮化镓单晶样品的中心区域刻蚀四个圆点B2(如图2b所示)，构成一面积 约为50×50μm的正方形检测区域，所刻蚀的圆点直径约为1μm。本实施例的 后续步骤与实施例一相同，故不再赘述。
按上述实施方式的步骤通过对III族氮化物样品单晶表面湿法腐蚀结合原子 力显微镜同位观测，实现了准确判定单晶表面位错类型，提高了III族氮化物基 光电器件的性能评定效率，进而促进了该材料在发光二极管等光电产业的进一 步发展，也为科学活动中关于薄膜材料位错腐蚀动力学的研究提供了启示。
综上所述，对本发明一种评估III族氮化物单晶表面位错的检测方法的示例 性详细介绍。旨在加深对本发明实质核心及有益效果的理解。并非以此限制其 多样性的实施方式及申请保护范围，非但检测区域的精确定位方式多样，而且 其形状也可以为矩形或其他规则形状。因此但凡对于上述实施例进行的简单修 改及等效替换，能够实现与本发明相同的创作目的的技术方案，均应归入本专 利请求保护的范围之内。