【国际论文】日本精细陶瓷中心、三重大学团队：利用大角度收敛束电子衍射测定单斜晶系 β-Ga₂O₃ 晶体中位错的伯格斯向量

        由日本精细陶瓷中心、三重大学的研究团队在学术期刊 Japanese Journal of Applied Physics 发布了一篇名为 Determination of Burgers vectors of dislocations in monoclinic β-Ga₂O₃ crystals by large angle convergent beam electron diffraction（利用大角度收敛束电子衍射测定单斜晶系 β-Ga₂O₃晶体中位错的伯格斯向量）的文章。

        β-Ga₂O₃ 作为超宽禁带半导体，具备约 4.5 eV 禁带宽度与 7 MV/cm 击穿电场，是制备高效超高压功率转换器件的关键材料，可通过熔体生长技术获得大尺寸单晶衬底，具备重要应用价值；晶体中存在大量位错缺陷，会显著影响器件性能，准确测定位错伯格斯向量是解析缺陷影响、优化晶体工艺的核心前提。传统弱束暗场成像（WBDF）仅能依据 g・b=0 判据判断伯格斯向量方向，无法确定其大小，难以满足精准表征需求；大角度收敛束电子衍射（LACBED）可通过 g・b=n 关系唯一确定伯格斯向量，但 β-Ga₂O₃ 为单斜非正交晶系，该方法在其中的适用性尚未得到系统验证。

        测定具有非正交晶体结构的单斜半导体 β-Ga₂O₃中位错的伯格斯向量，对于理解其对器件性能的影响至关重要。该团队研究了大角度收敛束电子衍射（LACBED）用于 β-Ga₂O₃伯格斯向量分析的适用性。结果表明，利用正空间与倒易空间基的对偶关系，无需使用度量张量即可计算非正交晶系中的矢量内积 g・b（g 为倒易晶格向量，b 为伯格斯向量）。基于该理论框架，该团队采用 LACBED 对位错进行分析，从 LACBED 图样中的节点数量明确确定了伯格斯向量，结果与弱束暗场成像一致。这些发现表明 LACBED 适用于 β-Ga₂O₃，可有效测定伯格斯向量。

        •建立非正交晶系 β-Ga₂O₃的 LACBED 分析理论，无需度量张量即可计算 g・b 内积。

        •利用 LACBED 图样节点数，实现 β-Ga₂O₃位错伯格斯向量的唯一、精准测定。

        •实验证实压痕引入的 β-Ga₂O₃位错伯格斯向量统一为 <010> 型。

        •LACBED 结果与 WBDF 成像相互验证，证明方法可靠有效。

        该团队证实，在单斜非正交晶系 β-Ga₂O₃的位错结构分析中，可像正交晶系一样直接计算矢量内积而无需使用度量张量，证明 LACBED 方法适用。该团队采用 LACBED 分析了纳米压痕引入的 β-Ga₂O₃模型位错并测定其伯格斯向量，结果与 WBDF 成像一致。这些发现表明 LACBED 方法可有效测定 β-Ga₂O₃中位错的伯格斯向量，有望助力深入理解影响器件性能的缺陷。

图 1. 纳米压痕在 β-Ga₂O₃压痕周围引入的位错的截面明场扫描透射电镜图像。衬底表面为 (-201) 晶面，入射电子束平行于 [102] 方向。压痕载荷为 50 mN。在压痕下方观察到延伸至约 1.6 µm 深度的富位错区域。标记为 D-1 至 D-8 的位错为本研究分析的位错。

图 2. 从 D-1 区域获得的三种明场 LACBED 图样。倒易晶格向量 g 与 n 分别为 (a) g₁=(-2-21)，n₁=2；(b) g₂=(73-3)，n₂=-3；(c) g₃=(-8-24)，n₃=-2。虚线 D、白色箭头 L 和黄色箭头数量分别代表位错线、劳厄反射线和节点数。

图 3. β-Ga₂O₃压痕周围形成的位错的弱束暗场图像。(a) 倒易晶格向量 g=(-201)；(b) g=(020)。(c) 和 (d) 为黄色矩形标记的同一区域的放大图像。在 (c) 中，位错 D-1 的衬度极弱，而在 (d) 中衬度很强。两种暗场图像的激发条件均为 g/3g。

DOI：

doi.org/10.35848/1347-4065/ae70b5