介绍了在扫描电子显微镜中使用电子沟道衬度成像技术来表征III-V族/Si异质外延薄膜中的缺陷。该方法可获得与透射电子显微镜平面观察相似的结果，但由于无需复杂的样品制备过程，所需时间显著缩短。
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摘要
摘要
采用扫描电子显微镜（SEM）中的电子沟道衬度成像技术（ECCI），对在Si(001)衬底上生长的GaP异质外延层中的失配位错进行表征。ECCI可在特定衍射条件下对缺陷和晶体学特征进行成像，其效果类似于透射电子显微镜（PV-TEM）的平面观察模式。ECCI技术的一个显著优势是几乎无需样品制备，甚至可直接使用大面积的原始样品，因此相较于透射电镜（TEM），其表征通量显著更高。与TEM类似，通过在SEM中倾斜和旋转样品，ECCI也可实现不同的衍射条件。该能力使得特定缺陷（例如GaP/Si界面处的失配位错）能够在标准不可见性判据所决定的高衬度条件下被选择性成像。本文描述了一个该技术的应用实例：通过ECCI成像一系列不同GaP外延层厚度的样品，确定GaP/Si体系中位错形核的临界厚度。此外，还提供了ECCI显微图像的其他示例，包括贯穿位错和层错，以展示该技术广泛而类似TEM的应用潜力。最终，ECCI结合了TEM级别的能力——高空间分辨率和丰富的显微结构信息——以及SEM的便捷性和快速性，成为晶体材料快速表征的一种强大工具。
引言
对晶体缺陷和微观结构进行详细表征是半导体材料与器件研究中至关重要的环节，因为这些缺陷可能对器件性能产生显著的不利影响。目前，透射电子显微镜（TEM）是表征扩展缺陷（如位错、层错、孪晶、反相畴等）最广泛接受和使用的技术，因为它能够以足够的空间分辨率直接成像多种类型的缺陷。然而，由于样品制备过程耗时较长，TEM本质上是一种低通量的方法，可能导致研发周期中出现显著的延迟和瓶颈。此外，样品的完整性（例如原始生长状态下的应变情况）可能在制备过程中发生改变，从而导致结果失真。
电子沟道衬度成像（ECCI）是一种可与透射电子显微镜（TEM）互补的技术，在某些情况下甚至可能更具优势，因其提供了一种替代性的高通量方法来表征相同的扩展缺陷。对于外延材料而言，样品几乎无需制备，使得ECCI在时间效率上显著更高。此外，ECCI仅需配备标准环形极靴背散射电子（BSE）探测器的场发射扫描电子显微镜（SEM）即可实现；前向散射几何结构也可使用，但需要稍加专用的设备，本文不作讨论。ECCI信号由那些从入射沟道化电子束（电子波前）中经非弹性散射，并通过多次额外的非弹性散射事件后，能够从样品表面逃逸返回的电子构成。1 类似于双束透射电子显微镜（TEM），在扫描电子显微镜（SEM）中也可通过调整样品取向，使入射电子束满足特定晶体学布拉格条件，从而在特定衍射条件下进行电子通道衬度成像（ECCI）。即， 通道效应（通过低倍电子通道图样（ECPs）确定）；1,2 见 图1 以一个示例说明。简而言之，ECPs 提供了入射电子束衍射/通道效应的取向空间表征。3 背散射信号较弱形成的暗线表示满足布拉格条件的电子束-样品取向（即，Kikuchi线），产生强烈的通道效应，而明亮区域则表明高背散射、非衍射条件。与通过电子背散射衍射（EBSD）或透射电子显微镜（TEM）产生的Kikuchi花样不同，后者是通过 outgoing 电子衍射，ECPs 是由 入射 电子衍射/沟道效应
在实际操作中，通过在低倍率下调整样品的倾斜和/或旋转，使样品取向满足ECCI的受控衍射条件，从而使代表特定明确布拉格条件的ECP特征——例如[400]或[220]菊池带/线——与扫描电镜（SEM）的光轴重合。随后切换至高倍率观察，由于入射电子束的角度范围因此受到限制，从而有效地选择出仅对应于所选衍射条件的背散射电子（BSE）信号。通过这种方式，可以观察到产生衍射衬度的缺陷，例如位错。与透射电镜（TEM）类似，此类缺陷所呈现的成像衬度由标准的不可见性判据决定，即g · (b × u) = 0 和 g · b = 0，其中g代表衍射矢量，b代表伯格斯矢量，u代表位错线方向。4 该现象的产生原因是，只有来自被缺陷所扭曲晶面的衍射电子才包含有关该缺陷的信息。
迄今为止，ECCI 主要用于成像 GaSb5、SrTiO35、GaN6-9 和 SiC10,11 等功能材料中靠近或位于样品表面的特征与缺陷。这一局限性源于 ECCI 信号本身对表面的敏感性，构成该信号的背散射电子（BSE）仅来自约 10 – 100 nm 深度范围内的区域。导致该深度分辨率受限的最主要因素是入射电子波前（即通道化电子）在晶体中随深度增加而发生的展宽和衰减，这是由于电子在散射事件中不断损失，从而降低了背散射电子信号的最大潜在强度1。尽管如此，先前在 Si1-xGex/Si 和 InxGa1-xAs/GaAs 异质结构上的研究已报道了一定程度的深度分辨能力12,13，作者近期（以及本文中）在 GaP/Si 异质结构上的工作也实现了类似结果14，其中 ECCI 被用于成像埋藏于晶格失配异质外延界面处、深度达 100 nm 的失配位错（更深处成像亦有可能）。
本文所述研究采用电子通道衬度成像（ECCI）技术，对在Si(001)上外延生长的磷化镓（GaP）进行分析。该材料体系属于复杂的材料集成系统，在光伏和光电子学等领域具有应用前景。GaP/Si体系尤其引人关注，因其有望成为将变晶型（晶格失配）III-V族半导体集成到低成本硅衬底上的可行途径。长期以来，该方向的研究一直受到大量异价成核相关缺陷不可控生成的困扰，这些缺陷包括反相畴、层错和微孪晶。由于这些缺陷可能具有电活性，充当载流子复合中心，同时还会阻碍界面位错的滑移，导致位错密度升高，因而对器件性能（尤其是光伏器件）有害。15 然而，近年来作者及其他研究团队已成功开发出外延工艺，能够制备出无此类成核相关缺陷的GaP/Si薄膜，16-19 从而为该领域的进一步发展奠定了基础。
然而，由于GaP与Si之间存在虽小但不可忽略的晶格失配（室温下为0.37%），失配位错的产生不可避免，且实际上也是实现完全弛豫外延层所必需的。GaP具有基于面心立方的闪锌矿结构，倾向于在滑移系上形成60°型位错（兼有刃型和螺型特征），这类位错具有可动性，能够通过较长的净滑移距离释放大量应变。此外，GaP与Si热膨胀系数的差异也引入了额外的复杂性，导致随着温度升高，晶格失配进一步增大。即，典型生长温度下错配率 ≥ 0.5%。20 由于构成失配位错环其余部分的螺位错段（连同界面失配和晶体表面）以其相关的非辐射载流子复合特性而著称，从而导致器件性能下降，21 充分理解其本质与演化过程，从而尽可能减少其数量，具有重要意义。因此，对界面失配位错进行详细表征，可为系统中位错动力学提供大量信息。
本文介绍了利用扫描电镜（SEM）进行电子通道衬度成像（ECCI）的实验方案，并展示了其功能与优势。一个重要的区别在于，ECCI可用于执行通常需通过透射电镜（TEM）完成的显微结构表征，而ECCI能够在显著缩短的时间内提供等效数据，原因在于其对样品制备的要求大幅降低；对于表面相对平整的外延样品，实际上几乎无需任何样品制备。文中描述了ECCI在缺陷和失配位错的一般表征中的应用，并提供了一些所观察到的晶体缺陷实例。随后阐述了不可见性判据对界面失配位错阵列成像衬度的影响。接着通过一个实例演示了ECCI如何用于实现重要的表征模式——在此案例中为确定GaP/Si体系中位错形核的临界厚度——从而获得类似TEM的数据，但可在SEM中更便捷地实现，并显著缩短分析时间。
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方案
本方案的撰写基于读者已具备扫描电子显微镜（SEM）常规操作的基本知识。由于制造商、型号乃至软件版本的不同，每台SEM在硬件和/或软件界面上可能存在显著差异。仪器的内部配置同样如此；操作人员在执行本方案时必须保持谨慎并仔细观察，因为样品尺寸/几何形状、样品取向（倾斜、旋转）以及工作距离的微小变化，都可能带来样品与极靴接触的风险，尤其是在未处于等心高度时。本文提供的操作说明针对本研究中所使用的仪器，即配备场发射电子枪和标准极靴安装式环形硅背散射探测器的FEI Sirion SEM。因此，读者必须清楚如何在各自特定的设备上执行相应的操作。
1. 样品制备
- 将本研究使用的GaP/Si样品根据所用扫描电镜（SEM）样品台的尺寸切割至合适大小。注意：样品尺寸可小至5 mm × 5 mm，也可大至整片晶圆（4英寸），具体取决于所用SEM的内部结构及样品室可用空间。样品表面应非常清洁，无任何可能干扰沟道效应的污染物。例如结晶或非晶态的天然氧化物。
- 将样品放置在扫描电镜样品台（SEM sample mount）上。注意：固定方法可能因所使用的 SEM 样品台类型而异，通常为夹具式或使用某种黏合剂固定例如，碳导电胶带，银漆）。样品放置方法必须确保样品不会移动，并且实现电学接地，以防止样品充电。
2. 加载样本
- 通过点击软件界面中的“Vent”按钮使扫描电镜（SEM）通气，待达到大气压后插入样品。
- 在关闭SEM腔门前，确保样品处于适当高度，以免在移入SEM时碰撞背散射电子（BSE）探测器。
- 通过点击软件界面中的“Pump”按钮对SEM抽真空。等待系统提示真空度已足够低，可开始进行测量。
3. 设置适当的工作条件
- 通过“Beam”控制区域中的控制按钮开启电子束，并通过软件界面中的“Beam”下拉菜单设置加速电压。本研究中采用的加速电压为 25 kV。
- 通过“Beam”下拉菜单将束流设置为适当值。在本系统中，该值通过束斑尺寸（spot size）设定，此处设为 5（约 2.4 nA）。注意：通常需要较高的束流，因为ECCI信号一般较弱，较大的束流有助于获得更清晰可辨的图像。
- 使用二次电子探测器，通过软件界面调节图像的聚焦和消像散。注意：在此操作中，可通过在软件界面上右键单击并拖动鼠标来实现；垂直方向控制聚焦，水平方向控制消像散。此外，通常建议在样品表面寻找一个微小颗粒或表面特征，作为聚焦和消像散调节的清晰参照物。
- 通过逐步调整样品台的Z轴位置，并根据需要调节聚焦和消像散，将样品移至垂直工作距离位置。Z轴位置通过软件界面中“Stage”控制区域的“Z”下拉菜单进行调节。在本研究中，将工作距离设为 5 mm 可使样品处于齐焦高度，并获得较强的ECCI信号。
4. 观察样品ECP
- 通过软件界面中的“Detectors”下拉菜单切换至BSE模式。
- 将放大倍数调至最低设置（27倍），此处可通过计算机键盘的减号（-）键完成，以观察ECP。
- 通过“Scan”下拉菜单调整扫描速率，以获得信噪比足够的图像（例如，应使用慢速扫描而非电视模式）。注意：可能需要对图像进行平均化或积分处理，以获得更清晰、更易辨识的图像。
- 调整图像对比度和亮度（此处通过“对比度”和“亮度”滑块完成），以增强嗜酸性阳离子蛋白（ECP）的可见性，注意避免过度饱和。
- 调整样品旋转和倾斜角度，使用软件界面中“Stage”控制区域的“R”和“T”参数，以使通道效应图样中的特征更加明显。样品旋转将导致ECP发生相应旋转（如图所示） 图2）倾斜将导致ECP发生平移（如图3所示）。
5. 图像缺陷/特征
- 调整样品倾斜和旋转角度，具体操作如步骤4.5所述，以设定所需的衍射条件。通过平移和/或旋转ECP，使目标菊池带边缘对准即，明锐菊池带与其对应的暗菊池线之间的拐点）与扫描电镜（SEM）光轴对齐。尽管最大通道效应实际上出现在菊池线上，但采用此处所述方法进行对准则可为具有明暗对比度的缺陷提供可视化对比（参见 图4和图5).
- 当达到所需的衍射条件后，通过键盘上的加号（+）键增加放大倍数。
- 重新对焦图像并调整像散，具体操作如步骤3.2所述。注意：此处应针对所成像的具体缺陷或特征来优化焦距和像散。
- 由于样品边缘与菊池带边缘之间的微小偏差可能会显著影响目标缺陷或特征的形貌，因此在观察特定特征以获得最大对比度的同时，通过微调（不超过）样品倾斜角度，使其垂直于感兴趣的菊池带/线，从而优化衍射条件。需要注意的是，向菊池带内部移动通常会降低“亮”特征的相对对比度，而向菊池带外部（即靠近菊池线方向）移动则通常会降低“暗”特征的相对对比度。
- 当获得所需对比度后，降低放大倍数以确认同一衍射斑仍在光轴上或非常接近光轴；过大的倾斜角度可能完全改变衍射条件。
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结果
本研究中的GaP/Si样品采用金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在Aixtron 3×2近耦合式喷淋头反应器中生长，生长过程遵循作者先前报道的异质外延工艺17。所有样品均在直径为4英寸、晶向为Si(001)、并有意偏离（偏角）6°朝向[110]方向的硅衬底上生长。所有电子通道衬度成像（ECCI）均在原始生长态样品上进行，无需任何进一步的样品制备处理（仅需将样品解理成约1 cm × 1 cm的片状以装入扫描电子显微镜）。
在不同衍射条件下拍摄的GaP/Si样品中失配网络的图像如图4所示。如图4A所示，ECP图上的位置将根据不可见性判据决定缺陷所呈现的衬度。
图5展示了不同GaP厚度的GaP/Si样品的显微图像，用于确定临界厚度。这些样品均在550 °C下生长，晶格失配约为0.47%。在使用g = 成像条件下，30 nm厚度处未观察到失配位错，而在50 nm处观察到失配位错...
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讨论
本研究采用 25 kV 的加速电压。加速电压将决定电子束的穿透深度；加速电压越高，背散射电子（BSE）信号将来自样品更深处。本系统选择高加速电压，是因为它能够显示远离样品表面、埋藏在界面处的位错。其他类型的缺陷或特征在不同加速电压下的可见性可能有所差异，具体取决于样品类型。
如前所述，不可见性判据将决定在特定衍射条件下哪些特征具有明显的衬度，以及这些特征所产生的成像衬度。与透射电子显微镜（TEM）中类似，这一原理可用于指导操作者选择合适的成像条件，以观察特定类型的缺陷；或者在面对某种未知缺陷时，可通过使用一系列不同的衍射条件，获取更多信息以帮助阐明该缺陷的本质。例如，为了清晰地成像相互正交的失配位错（MDs）阵列，可根据操作者的目标选择多种不同的衍射条件。作者此前已在GaP/Si材料中MDs的ECCI表征中演示过这一方法14，并在图4中展示：对同一MD网络（来自厚度为50 nm的GaP/Si样品）在不同衍射条件下拍摄了四幅图像。
图 4A...
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披露
作者无任何利益冲突需要披露。
致谢
本工作由美国能源部 FPACE 项目（DE-EE0005398）、俄亥俄州立大学材料研究所及俄亥俄州技术投资办公室的第三前沿计划资助。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 西里昂场发射扫描电镜 | FEI/Phillips | 516113 | 具有200 V - 30 kV束电压范围的场发射扫描电镜，配备背散射电子探测器 |
| 待测样品 | 内部制备 | 通过金属有机化学气相沉积法（MOCVD）在本实验室合成/生长 | |
| PELCO SEMClip | Ted Pella, Inc. | 16119-10 | 可重复使用、非粘性SEM样品台（也可使用粘性固定方式） |
参考文献
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