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【国际时事】β氧化镓晶体中晶格缺陷的无损检测

利用X射线异常透射现象

在厚重的晶体中也能够对内部缺陷进行检测和分类

2022年12月日本JFCC宣布了与NCT和兵库大学合作，成功地利用异常的X射线透射现象，在短时间内以非破坏性的方式检测并观察到厚度约为0.7mm的β-氧化镓（β-Ga₂O₃）晶体内的所有晶格缺陷。用于下一代功率半导体的高质量β-Ga₂O₃晶体有望得到改善。

诸如 "X射线形貌观察 "的方法早被用来评估β-Ga₂O₃晶体中的缺陷分布。然而，由于Ga的存在，使用常规方法只能观察到从表面到0.02毫米深度的缺陷。

在本次研究中，利用异常透射现象的X射线形貌观察法，得到了晶体内部缺陷的空间分布信息和可以识别缺陷类型的信息。异常透射是指在存在与原子面结点的驻波的情况下，X射线的吸收会急剧减少。这种现象导致透射的X射线的强度显著增加。

10 x 15 mm (001) 平面β-Ga₂O₃单晶衬底的异常透射X射线形貌图。来源：JFCC等

由入射波和衍射波之间的干涉产生的驻波和原子表面之间的位置关系。来源：JFCC等

晶体内部的晶格缺陷区域不会产生异常透射，透射波的强度会局部下降。因此，如果在整个晶体中产生异常透射，并观察到透射波的强度分布，就有可能确认在X射线薄弱区域存在晶格缺陷。

异常透射X射线形貌观测法的光学系统示意图。来源：JFCC等

在实验中，在荧光板上观察透射波和衍射波的强度，以确定是否发生异常透射。在发生正常的强X射线吸收的条件下（没有异常透射），透射波是非常弱的。在异常透射的条件下，出现了两个极强的传输和衍射波点。如果在这种状态下移开荧光板，用照相机拍下透射波的强度分布，就可以确定X射线照射区域的缺陷分布。

(a) 为在荧光板上观察透射波和衍射波的强度，以确定是否发生反常透射实验示意图；

(b) 为没有发生异常传输的情况下的拍摄；

来源：JFCC等

在这次实验，已经可以识别缺陷的种类。在X射线形貌观察法中，缺陷的对比度取决于衍射条件和晶格缺陷类型之间的相对关系。因此，如果在几种衍射条件下对同一位置的缺陷对比进行分析，就可以确定缺陷的类型。

在多种衍射条件下拍摄的同一地点的X射线地形图。来源：JFCC等