對比前兩大類半導體材料，第三類半導體氮化鎵因製程原料關係，易產生大量的差排缺陷，而差排的密度和種類，又是影響元件功能的一大要素。如何解析差排類型，並將差排的密度控制在一定範圍，是第三類半導體發展的重要關鍵。
雙束條件/差排的不見性
(承前文)晶體的TEM電子繞射條件有三大主要類型，包含正極軸條件(Exact Zone Condition)、雙束條件(Two Beam Condition) 和運動學條件(Kinematic Condition)[4 ~ 6]，三者的典型選區繞射圖案如圖5所示。因為穿透電子束恆存在，雙束繞射條件意指繞射圖案中只剩下一個繞射點，其他繞射點都消失。此繞射條件主要用來分析晶體缺陷，因為此時TEM影像的操作向量(Operating Vector)，或稱g向量(g Vector)只剩下唯一， 大幅簡化TEM影像明暗變化的操作機構。
當g向量和差排的應力場垂直時，g向量和差排引起的晶格位移R的內積為零。此時差排的明暗度和附近未變形的基材晶格相同，如同忍者的隱形手法一般，差排在TEM明場影像中消失不見[6]。如圖6所示，在圖6(a)左上角白色箭頭指向的差排，在圖6(b) 中消失不見[7]。
藍寶石基板上氮化鎵磊晶層內的差排分析
圖7是一組典型的雙束繞射條件下的GaN/Sapphire TEM明場影像。圖7(a)的g向量是[1 -100]，而圖7(b)的g向量是[000 -1]，兩個g向量互相垂直。兩個圖像中各有一對黑白的箭頭，用來標示兩個圖像的相關對應位置。比較圖7(a)和圖7(b)，可以明顯看出在圖7(a)中標示「E」的差排在圖7(b)中都消失不見，這些消失不見的差排線平行g向量[0001]，而其應力場則垂直[0001]。根據圖3中差排線和應力場的關係，可以推論這些差排是刃狀差排。
氮化鎵差排品質攸關元件功能
隨著氮化鎵的應用日益多元，全面掌控氮化鎵的差排品質，對後續元件功能影響至為關鍵。目前，雖然市面上亦有其他可大量掃描差排密度的儀器，但要進一步深層分析氮化鎵的差排密度和類型，TEM雙束繞射成像是目前唯一可以辨別差排類型的材料分析工具。本文簡單地介紹此分析技術，要進行足量的差排分析以達到統計學上的要求，並歸納出差排類型和密度對元件品質的因果關係，仍需持續累積大量TEM影像拍攝和分析工作。這項工作雖然耗時，但是對於深入了解氮化鎵單晶的性質和影響因素，仍是非常重要的前瞻研究。
(本文作者為宜特科技材料分析專家)
參考資料：
[1]Julissa Green, “Detailed Introduction to Three Generations of Semiconductor Materials”, 2023. https://www.sputtertargets.net/blog/introduction-to-the-generations-of-semiconductors.html
[2]Shuji Nakamura, Stephen J. Pearton, and Gerhard Fasol, in “The Blue Laser Diode, The Complete Story”, chapter 4, published Springer-Verlag, Berlin, Heidleberg, New York, 2000. ISBN: 3-540-66505-6
[3]Fernando A. Ponce, “Microstructure of Epitaxial III-V Nitride Thin Films” in “GaN and Related Materials”, edited by Stephen J. Pearton, published by Gordon and Breach Science Publishers, USA, 1997. ISBN: 90-5699-517-0
[4]鮑忠興和劉思謙， 近代穿透式電子顯微鏡實務， 第二版， 台中： 滄海書局， 2012. ISBN: 978-986-5937-22-5.
[5]G. Thomas and M. J. Goringe, Transmission Electron Microscopy of Materials, John Wiley & Sons, Inc., New York(1979). ISBN: 0-471-122440-0
[6]David B. Williams and C. Barry Carter, in Transmission Electron Microscopy, Microscopy, part 2, Plenum Press, New York(2007). ISBN: 0-471-122440-0
[7]J. S. Bow and Speed Yu, “Depth Measurement of Dislocations in Si Substrate by Stereo TEM,” Proc. ISTFA, 233-234(2005).
TEM分析穩固GaN元件功能 高度掌握差排晶體缺陷(2)
