蘇州納米所器件部樊士釗等JAP:利用電子通道襯度成像方法分析氮化鎵異質結中的穿透位錯和失配位錯

                              異質外延生長的GaN/AlGaN薄膜材料在光子、電力電子及微波射頻器件中具有廣泛應用。隨著GaN器件的微型化,其薄膜材料中位錯缺陷的類型、面密度及分布情況嚴重限制了器件的性能及可靠性。如何在不破壞薄膜材料的前提下精確表征GaN、GaN/AlGaN異質結中的位錯缺陷仍具有較大的挑戰。近日,中科院蘇州納米所樊士釗等采用電子掃描顯微鏡(SEM)在背散射模式下利用通道襯度成像方法成功分析出刃位錯、螺位錯及混合位錯的面密度,并首次在GaN/AlGaN異質結中觀測到位錯半環及位錯滑移現象。 

                              研究者通過控制電子束透鏡電流對電子束進行搖擺,生成了GaN薄膜材料的菊池花樣(圖1)。通過系統分析菊池晶帶與垂直晶面、傾斜晶面的對應關系,發展了精準選取布拉格衍射條件并用于位錯通道襯度成像的實驗方法。 

                              1.(a)GaN薄膜的菊池花樣及由電子束衍射的運動學理論計算得出的(b)垂直晶面和(c)傾斜晶面的菊池晶帶分布圖 

                              通過對比同一區域的位錯在不同雙束衍射條件下的襯度演化規律,將消光判據與位錯襯度分布方向判據相結合,實現了對位錯伯氏矢量的判定(圖2)。另外,通過對比分析基于通道襯度方法直接獲得的位錯類型占比與基于X射線衍射方法間接獲得的位錯類型占比,確定通道襯度方法在分析混合位錯方面的獨特優勢。 

                              2.同一區域GaN薄膜在不同雙束衍射條件下的通道襯度成像及位錯類型判定 

                              最后,利用通道襯度方法直接測試GaN/AlGaN異質結界面,首次觀測到位錯半環,并發現大量混合位錯在界面處的彎曲形成失配位錯(圖3)。通過分析位錯彎曲的晶向,判明界面存在位錯滑移現象,為GaN器件的失效機制拓展了新的研究方向。 

                              3.GaN/AlGaN異質結的通道襯度成像及位錯滑移體系的判定 

                              該工作以Observation of threading dislocations and misfit dislocation half-loops in GaN/AlGaN heterostructures grown on Si using electron channeling contrast imaging為題發表在Journal of Applied Physics上。中科院蘇州納米所樊士釗項目研究員為第一作者和通訊作者。該論文工作獲得了中科院“率先行動”、江蘇省“雙創人才”、蘇州市“姑蘇青年領軍”、國家自然科學基金等項目資助,同時也得到了中科院蘇州納米所納米真空互聯實驗站(Nano-X)的支持。 

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