樊士钊等JAP：利用电子通道衬度成像方法分析氮化镓异质结中的穿透位错和失配位错

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异质外延生长的GaN/AlGaN薄膜材料在光子、电力电子及微波射频器件中具有广泛应用。随着GaN器件的微型化，其薄膜材料中位错缺陷的类型、面密度及分布情况严重限制了器件的性能及可靠性。如何在不破坏薄膜材料的前提下精确表征GaN、GaN/AlGaN异质结中的位错缺陷仍具有较大的挑战。近日，中科院苏州纳米所樊士钊等采用电子扫描显微镜（SEM）在背散射模式下利用通道衬度成像方法成功分析出刃位错、螺位错及混合位错的面密度，并首次在GaN/AlGaN异质结中观测到位错半环及位错滑移现象。
　　研究者通过控制电子束透镜电流对电子束进行摇摆，生成了GaN薄膜材料的菊池花样（图1）。通过系统分析菊池晶带与垂直晶面、倾斜晶面的对应关系，发展了精准选取布拉格衍射条件并用于位错通道衬度成像的实验方法。

　　图1.（a）GaN薄膜的菊池花样及由电子束衍射的运动学理论计算得出的（b）垂直晶面和（c）倾斜晶面的菊池晶带分布图
　　通过对比同一区域的位错在不同双束衍射条件下的衬度演化规律，将消光判据与位错衬度分布方向判据相结合，实现了对位错伯氏矢量的判定（图2）。另外，通过对比分析基于通道衬度方法直接获得的位错类型占比与基于X射线衍射方法间接获得的位错类型占比，确定通道衬度方法在分析混合位错方面的独特优势。

　　图2.同一区域GaN薄膜在不同双束衍射条件下的通道衬度成像及位错类型判定

　　最后，利用通道衬度方法直接测试GaN/AlGaN异质结界面，首次观测到位错半环，并发现大量混合位错在界面处的弯曲形成失配位错（图3）。通过分析位错弯曲的晶向，判明界面存在位错滑移现象，为GaN器件的失效机制拓展了新的研究方向。

　　图3.GaN/AlGaN异质结的通道衬度成像及位错滑移体系的判定

　　该工作以Observation of threading dislocations and misfit dislocation half-loops in GaN/AlGaN heterostructures grown on Si using electron channeling contrast imaging为题发表在Journal of Applied Physics上。中科院苏州纳米所樊士钊项目研究员为第一作者和通讯作者。该论文工作获得了中科院“率先行动”、江苏省“双创人才”、苏州市“姑苏青年领军”、国家自然科学基金等项目资助，同时也得到了中科院苏州纳米所纳米真空互联实验站（Nano-X）的支持。
　　论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0102373
       文章来源：苏州纳米所
       樊士钊，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所项目研究员、硕士生导师。2016年毕业于加拿大麦吉尔大学，随后在美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校从事博士后研究。2020年进入中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所Nano-X真空互联实验站工作。在Adv. Energy Mater.、Nano Lett.、Sol. Energy Mater. Sol. Cells等期刊发表论文30篇以上。主要研究领域包括：硅基III-V族异质外延、III-V/Si多节太阳能电池、量子点激光器、III-N纳米结构等，论文总引用860余次，H因子为16，并多次在IEEE光伏专家会议上作报告。