III-V族半导体异质外延界面原子结构与应变分布规律的高分辨电子显微学研究

III-V族氮化物（AlN、GaN、InN）和6.1 ?家族化合物（AlSb、GaSb、InAs）是两大重要体系材料，多采用异质外延生长，由此出现晶格失配或热失配。本项目以薄膜异质外延界面（失配缺陷发源处和应变集中区）为研究对象，借助普通200 kV高分辨电镜拍摄的实验像，并结合电子晶体学图像处理与几何相位分析技术，开展界面（包括界面失配缺陷核心）原子结构与其纳米尺度微区应变分布的研究，借以明确上述两者之间的对应规律，加深对界面微观特性的认识。本项目将选取最具代表性的几类异质外延界面（包括纤锌矿、闪锌矿结构界面及不同失配度、轻重原子、衬底材料的界面）开展研究，以阐明界面类型对界面失配缺陷核心原子结构与应变分布的影响；进一步结合化学成键规律等，以揭示两大体系薄膜异质外延界面原子结构与应变分布的变化规律，为明确界面微观特性与薄膜外延过程中失配缺陷的形成和湮没以及应力的产生和消除的关系奠定基础。

本项目的研究要点为（1）界面高分辨像解卷处理和几何相位分析技术研究,以获取界面（包括失配缺陷核心）原子结构与其纳米尺度微区应变分布特点及对应规律；（2）III-V族半导体薄膜异质外延界面的应用研究。主要在以下五方面取得了重要成果：.（1）确定了位错核心的应变分布与其投影结构之间有一一对应的关系。高分辨像成像条件对应变测量精度有严重影响。由于消除了像畸变、减小了动力学效应和提高了相位衬度，解卷像比原始像（即便是最佳聚焦条件下的像）更适于测量位错核心的应变分布。.（2）发展了界面衍射振幅校正技术,以利于对样品厚度稍大的界面原子结构测定。分别通过模拟像和实验像表明，在样品稍厚时，界面衍射振幅校正技术可有效减小动力学效应，从而显著提高界面解卷像质量，使像分辨率接近电镜信息极限。.（3）界面附近三类堆垛层错（含不全位错）的微区应变分布与相互作用规律研究。以AlSb/GaAs(001)界面为例，确定了一个堆垛层错可分为若干具有不同应变状态（正应变或负应变）的局部区域。同一局部区域在εxx和εyy图中的应变状态相反。同时,确定了单个堆垛层错、近邻堆垛层错对、V型堆垛层错对的相互作用规律与堆垛层错终止于界面的30°不全位错、近邻60°全位错螺分量的关系及界面应变弛豫机制。.（4）界面附近不全位错核心原子结构研究。以AlN/(0001)6H-SiC为例，利用单张普通高分辨实验像进行解卷处理，确定出Al、N原子位置，AlN薄膜的生长极性为Al极性以及一个10原子环和一个12原子环的不全位错核心原子结构。采用的方法可应用于其它III-V族和II-VI族薄膜界面缺陷研究。.（5）极大失配界面缺陷原子结构研究。以3C-SiC/Si(001)（失配度20%）为例，解卷像上Si和C原子皆分辨为单个黑点。确定出Si、C原子位置，一个本征堆垛层错、两个shuffle型60°位错、两个5-7环Lomer位错核心原子结构。据此明确了此类大失配界面失配缺陷的种类及应变弛豫机制，同时从实验上验证了60°位错分解理论。