利用多电子双棱镜相移电子全息术对n型氮化镓半导体中不同载流子浓度的可视化研究

摘要： 采用透射电子显微镜（TEM）的相移电子全息术（PS-EH）对n型GaN半导体中不同载流子浓度激活层（掺杂水平分别为10^19、10^18、10^17和10^16原子/立方厘米的硅掺杂）进行可视化研究。为精确测量GaN样品重建相位分布，使用三组电子双棱镜获取无双棱镜灯丝菲涅尔条纹的高对比度全息图，并采用冷冻聚焦离子束（cryo-FIB）制备大视场畸变较小的均匀TEM样品。该350纳米厚TEM样品中所有层均以1.8纳米空间分辨率和0.02弧度相位分辨率区分，同时测量了层间界面处相位分布阶跃宽度变化（对应耗尽层宽度）。通过观测相位分布与理论能带结构模拟，估算出各掺杂水平下激活层与非激活层的厚度。随着掺杂浓度降低，TEM样品中激活层厚度与总厚度的比值显著减小，因此需要更厚的TEM样品来观测更低载流子浓度（例如区分10^16与10^15原子/立方厘米的掺杂层）。估算表明，要实现PS-EH与cryo-FIB联用检测亚层结构，样品厚度需超过700纳米。