Three-dimensional visualization of threading dislocation in GaN by polarized-light microscopy

Resumen Técnico: Visualización tridimensional de dislocaciones de hilos en GaN mediante microscopía de luz polarizada

Planteamiento del problema
El nitruro de galio (GaN) es un semiconductor de banda prohibida ancha crítico para dispositivos de potencia y de emisión de luz, sin embargo, su rendimiento y fiabilidad se ven comprometidos por defectos cristalinos, particularmente las dislocaciones de hilos (TDs), que permanecen en las obleas. Si bien la caracterización no destructiva de las distribuciones de defectos sobre áreas a escala de oblea es esencial para optimizar el crecimiento de cristales y la fabricación, los métodos existentes de observación tridimensional dependen del escaneo de luz focalizada. Estos métodos no son adecuados para la inspección rápida de grandes áreas. La microscopía óptica ofrece un potencial de alto rendimiento, pero las aplicaciones previas para la obtención de imágenes 3D de las TDs han sido limitadas en alcance o velocidad.

Metodología
Los autores demuestran un enfoque de alto rendimiento y no destructivo para la obtención de imágenes 3D de las TDs en obleas de GaN obtenidas por método aminotérmico utilizando microscopía de luz polarizada con iluminación LED colimada.

• Muestra: Se utilizó una oblea de GaN (0001) aminotérmica de 2 pulgadas comercialmente disponible, con una superficie de polaridad Ga con pulido químico-mecánico (CMP) y una superficie de polaridad N pulida adicionalmente (espesor ~340 μm).
• Sistema óptico: El montaje utilizó un LED colimado de 405 nm, un polarizador alineado paralelamente a [11$\bar{2}$0], un analizador de Nicol cruzado alineado paralelamente a [1$\bar{1}$20] y un objetivo de 20× (NA 0.45).
• Estrategia de adquisición: Para lograr la visualización 3D, se adquirieron imágenes desplazando el objetivo en pasos de 2.5 μm desde la posición de enfoque de la superficie. Teniendo en cuenta el índice de refracción del GaN (n = 2.4), esto resultó en un desplazamiento focal efectivo de aproximadamente 6 μm dentro del cristal. Se capturaron un total de 42 imágenes a lo largo de un rango de profundidad de 48 a 294 μm.
• Procesamiento de datos: Las imágenes se procesaron utilizando el software FIJI con filtrado de paso de banda de la transformada rápida de Fourier (FFT) y ajuste de contraste. Se generó una imagen proyectada calculando la desviación estándar de la intensidad de la imagen a lo largo de la dirección z, lo que reveló los trazos de las dislocaciones causados por desplazamientos posicionales en el plano durante el escaneo focal.
• Validación: Se realizó topografía de rayos X de radiación de sincrotrón (SR-XRT) en la KEK Photon Factory utilizando seis g-vectores equivalentes de la familia de reflexión 11$\bar{2}$4 para identificar los componentes del vector de Burgers en el plano y validar las observaciones ópticas.

Resultos clave

1. Visualización 3D de la inclinación de las dislocaciones: La microscopía de luz polarizada reveló que las TDs exhiben desplazamientos en el plano dependientes de la profundidad de foco. Esto permitió la visualización del comportamiento de inclinación 3D sobre áreas extensas (área cosida ~1.6 × 1.4 mm²). Se detectaron un total de 768 trazos de dislocación, lo que corresponde a una densidad de TD de aproximadamente 3 × 10⁴ cm⁻².
2. Geometría de los trazos y correlación del vector de Burgers: El análisis SR-XRT confirmó que los paquetes de dislocaciones (DBs) que forman "defectos de panal" son dislocaciones de borde de hilo (TEDs). El estudio encontró que las dislocaciones con componentes idénticos del vector de Burgers en el plano exhibían geometrías de trazo e inclinaciones similares.
3. Medición cuantitativa de la inclinación: Los trazos se concentraron en seis rangos angulares. Al comparar los ángulos y longitudes de los trazos experimentales frente a un modelo geométrico, los autores determinaron que las TDs estaban inclinadas aproximadamente 3.3° respecto al eje c en direcciones perpendiculares a sus vectores de Burgers. Esta inclinación se atribuyó a una ligera desalineación del eje c respecto al eje óptico del microscopio (inclinado ~1.2° hacia [1$\bar{1}$00]).
4. Mecanismo de movimiento: Las direcciones de inclinación observadas (perpendiculares a los vectores de Burgers) indican un movimiento mediado por ascenso (climb) en lugar de un movimiento de deslizamiento (glide). A medida que la posición focal se movía desde la superficie de polaridad Ga hacia la de polaridad N, las dislocaciones se desplazaban hacia afuera, lo que corresponde a un movimiento de ascenso positivo que reduce el área del semiplano excedente.
5. Estimación de la relajación de deformación: Basándose en la suposición de que las TEDs constituyen ~81% de las TDs en el cristal, la relajación de deformación efectiva asociada con esta inclinación de dislocación se estimó en aproximadamente 5.1 × 10⁻⁶ por milímetro a lo largo de la dirección de crecimiento.

Significación y afirmaciones
El artículo afirma demostrar un enfoque sencillo y no destructivo para la caracterización tridimensional de gran área de las dislocaciones en obleas de GaN. La significación principal radica en la capacidad de visualizar el comportamiento de inclinación 3D de las TDs sin la naturaleza lenta del escaneo de luz focalizada.

Los autores concluyen que la inclinación observada de ~3.3° de las TDs respecto al eje c es indicativa de un movimiento mediado por ascenso asociado con la relajación de deformación durante el crecimiento del cristal, probablemente impulsado por el estrés térmico, la inhomogeneidad de la temperatura o los gradientes de concentración de impurezas. El estudio sugiere que la distribución de deformación en el plano es aproximadamente isotrópica, mientras que es probable que exista un gradiente de deformación a lo largo del eje c. Este método proporciona una vía para la inspección rápida de la distribución de defectos para ayudar en la optimización del crecimiento de cristales y la fabricación de dispositivos.