位错的存在会对晶体或者器件产生一系列影响

对晶体影响方面，位错会在晶体内部引入应力场使晶体的机械强度发生改变，还会在晶体中引入能量激发，增加晶体的热传导阻力，降低材料的寿命；

对器件影响方面，位错的存在会引入界面态劣化器件的电学性能，位错作为载流子的散射中心还会降低载流子的迁移率，降低器件的工作效率。

在实际应用中，晶体缺陷可能会导致IC漏电、LED发光性能下降、芯片故障等问题，给工艺工程师带去很大的困扰，然而又很难避免。

但通过对产品中位错的类型和密度进行分析，可在制造过程中控制晶体生长参数、优化材料组分以及调控外界应力，可以减少这些缺陷的出现，提高器件的可靠性和效率,这是我们测试方提供的服务之一。

晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同

根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错可分为刃位错、螺位错和混合位错。

一般的，位错类型及方向可以通过伯氏回路和右手法则来进行判断，这是通过透射电镜判定位错类型的理论基础。

首先回顾一下一个重要的参数：伯氏矢量。

伯氏矢量可以通过伯氏回路确定，其方向表示位错的性质以及取向，它的模表示了畸变的程度，即位错强度。图1和图2所示分别是刃型位错和螺型位错伯氏矢量b的确定法则。

图1 刃型位错伯氏矢量的确定

图2 螺型位错伯氏矢量的确定

实际上，在具体的晶体结构中，滑移方向通常是确定的，这一点是由晶体中原子的堆叠方式决定的。因此在很多资料中，都有给出常见的晶体结构的伯氏矢量，这为透射电镜下位错类型的分析减少了相当大的工作量。在TEM实际操作中，得到各g矢量下的影像后，就可以通过伯氏矢量和位错线的关系来判断位错类型了，伯氏矢量b垂直于位错线方向u的为刃位错，伯氏矢量b平行于位错线方向u的为螺位错。

表I 典型晶体结构中单位位错的伯氏矢量

其中：g为对衬度做出主要贡献的衍射晶面的倒易矢量，R是由于位错的存在给完整晶体带来的晶格位移（畸变）矢量，一般来说，R是位置的函数，即位错附近不同位置对完整晶体点阵的影响是不同的，此处将R与位错伯氏矢量b等同起来，由于对特定的一类位错，其伯氏矢量b是唯一的，将R等同于b是一种合理的近似。

当R⊥g，即g·R=0时，第2项中的相位因子2πig·R=0，exp(-2πig·R)=1，因此衍射振幅是：

与完整晶体的衍射振幅相同，也就是说，当g⊥R时，缺陷存在，但不提供附加衬度，可见g·R=0时位错不可见。

对所研究的具体材料，位错性质已定，因而R是一定的，不能人为改变，而g却因试样相对于入射电子束取向的不同而异，可以利用电子显微镜的旋转倾斜台，调整试样取向。

位错线的拍摄并不是在常规的TEM模式下进行的，而是需要倾转至双束条件（或者是WB，此时可以得到更为锐利且明亮的位错图像）。

所谓双束条件，即只有透射束和一束很强的衍射束hkl，此时，强激发衍射束hkl中的电子被一系列特定的平面hkl衍射，此条件下暗场像中的明亮区域对应hkl平面满足布拉格条件的区域，所以暗场像也包含特定的取向信息。

当然，操作时需要先获取一张正带轴下的衍射花样图以及影像，我们需要衍射花样确定晶体结构，进而确定相应的伯氏矢量，然后从正带轴影像中观察位错的数量以及取向。

单独的对于某一根位错线来说，从影像中可以确定其取向，取与其平行和垂直的两个g矢量，再取任一方向g矢量，共3个操作g矢量。

再确定此晶体结构的伯氏矢量，建立对应的g·b表格，表格中的点乘结果在TEM影像中表现为可见或不可见：结果为零不可见，不为零时可见。然后分别倾转至3个g矢量条件并拍摄明场像，通过观察各个g矢量影像中位错是否可见来判断位错类型。

相对单一位错来说，外延层中往往存在着大量位错，这种情况如果采用上述方法对每一根位错线进行分析的话，工作量相当大，也不是很有必要。

在这种情况下，简单的，在TEM样品中取与膜层方向垂直与平行的2个g矢量，以及任一方向g矢量为操作矢量来进行分析计算。如下外延层中的位错判定。

首先拍摄GaN正带轴下的影像以及衍射花样，此时需要多做一个工作，标记视域范围内的可见位错，方便后续进行对比以及位错密度计算。

图3 GaN正带轴影像及衍射花样

图4 密排六方[2-1-10]带轴的标准电子衍射花样

然后建立对应的g·b表格，如下表所示：

表II 六方晶系[2-1-10]带轴g·b消光表

所需操作g矢量为[0002]、[01-10]和[01-11]，得到各个g矢量下的结果如下：

图5 g=[0002]矢量下的GaN明场像

图6 g=[01-10]矢量下的GaN明场像

图7 g=[01-11]矢量下的GaN明场像

（这里忽略g矢量影像下的弯曲条纹，这是由于样品弯曲引起的）

由消光表和不同g矢量条件下的GaN明场像可分析得到各个位错线的类型，如表III所示，其中M表示混合位错，E表示刃位错，S表示螺位错。

表III GaN位错线类型总结

图8 GaN正带轴明场像下位错线数目统计及视域面积计算

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来源：季丰电子

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