先进电子显微学方法及其在半导体异质结构中的应用

For semiconductor industry, the technology applications keep ahead of the basic research. This project focus on the interface and defect core structures of semiconductor heterostructures which closely affect the optical and electrical properties of devices.The research will be based on the pseudo weak-phase object approximation theory of image contrast and image deconvolution processing. The technical route of combining the traditional 200 kV, LaB6 filament electron microscope and new type of spherical-aberration corrected electron microscope,combining the hardware and software,combining the HRTEM and STEM will be used to solve the basic scientific issues of the interface and defect core structures of Ⅲ-Ⅴ semiconductor heterostructures at atomic scale. At the same time, modifying and improving the present image processing methods fit the spherical-aberration corrected electron microscope. Establishing a new method to solve the problem of the dynamic diffraction correction for heteroepitaxial interface and trying to interpret reasonability of the structural information beyond the information limit of the electron micrsocope using in the image processing are also important research contents in this project. Through the in-depth study of structural problems, the relationship among the property, structure and preparation technology of semiconductor materials will be revealed and some structural grounds for material growth and device design will be provided.

针对半导体行业技术应用领先于基础研究的历史背景，本项目以密切影响半导 体器件光学、电学性能的异质外延结构中的界面和缺陷核心为主要研究内容，立足于赝弱相 位物体近似像衬度理论和解卷图像处理方法，采用传统200kV，LaB6 灯丝电镜与新型球差校 正电镜相结合、硬件与软件相结合、高分辨显微术与扫描透射显微术相结合的技术路线，在原子尺度解决Ⅲ-Ⅴ族半导体异质外延界面及缺陷核心等基本结构问题。同时发展和改善图像处理方法，使之适应球差校正电镜技术的新进展。建立新的方法来解决界面动力学衍射校正问题，给出在图像处理过程中利用超出电镜信息极限的结构信息的合理解释也是本项目的重要研究内容。通过对结构问题的深入研究，揭示半导体材料物理性能、结构与制备工艺之间的内在关系，为材料生长、器件设计提供结构依据。

高分辨电子显微学作为从原子尺度评价材料内部结构的最有力的实验手段，被广泛应用于各种材料的研究。半导体等功能材料的结构，包括晶体结构和电子结构对半导体生长工艺的改善、器件设计和性能提升有重要意义。本项目借助先进的电子显微学和电子晶体学图像处理技术，集中研究半导体异质结构以及体材料中原子分辨率的晶体结构及缺陷核心原子组态，最终为研究材料性能与结构之间的规律，提升器件性能提供晶体结构方面的资料和依据。一方面，项目研究材料结构的同时探讨了如何合理利用球差矫正高分辨像中非线性信息问题。随着球差矫正器的问世，电子显微镜的分辨本领已提高至0.08nm甚至更高，分辨率已然不再是限制材料表征的主要因素。然而，已有的像衬理论已难以对球差矫正高分辨像作出很好的解释，非常有必要对像衬理论及相应的图像处理方法进行研究。因此完善球差矫正高分辨像的像衬理论，发展图像处理方法是本项目研究的一部分内容。另一方面采用传统200kV，LaB6 灯丝电镜与新型球差校正电镜相结合、硬件与软件相结合、高分辨显微术与扫描透射显微术相结合的技术路线，在原子尺度解决半导体异质外延界面及半导体热电材料中的微结构、缺陷核心等基本结构问题是本项目完成的另一个重要部分。具特色的创新成果有：从一张200kV、 LaB6 灯丝电镜拍摄的分辨率仅为0.2nm的高分辨像出发，在原子尺度上测定了GaN异质结构中多种缺陷的核心结构以及3C-SiC异质结构中小角晶界附近位错核心的原子组态。首先利用解卷图像处理方法，将不反映待测晶体结构的转化为结构像。然后在赝弱相位物体近似（PWPOA）像衬理论的指导下，辨认出了间距小于电镜分辨本领的哑铃状原子对。进而在原子分辨率尺度推导出GaN异质结构中层错、不全位错、60°全位错和60°分解位错以及3C-SiC小角晶界附近的复合位错等，确定了位错的核心结构、极性和形成机制等，讨论了3C-SiC小角晶界的形成与晶界附近复合位错的关系等。