通过透射电子显微镜（TEM）中的原位加热技术，揭示了基于镓砷（GaAs）体系的堆垛错位的热力学特性

《Applied Materials Today》：Thermodynamics of stacking faults in GaAs-based system revealed by in-situ heating in TEM

本研究利用 aberration-corrected STEM 在位加热技术，揭示了 InGaAs-on-Si 系统中原生堆垛层错（SF）的热演化机制。发现 SF 在 200-700℃间发生滑移并形成三原子层缺陷（TLD），700℃时形成稳定的 Lomer-Cottrell 锁。通过 Lorentz 透射电镜观测到 SF 诱导的磁涡旋，源于 Heisenberg 交换作用与 Dzyaloshinskii-Moriya (DMI) 相互作用的竞争。磁Stark 效应使磁化向量场在 (1-10) 面上实现可调控排列，为优化 III-V 半导体晶体质量提供新策略。

　　

胡文宇|邓曼宇|董家伟|邓勇|邓慧文|唐明楚|王甘|王晓艺|邱阳|刘慧云|托马斯·沃尔特

中国深圳南方科技大学物理系，518055

摘要

堆垛缺陷（SFs）是一种二维缺陷，会显著降低III-V族半导体器件的性能。在这项研究中，我们利用像差校正的扫描透射电子显微镜和原位加热技术，研究了(In)GaAs-on-Si系统中内在堆垛缺陷的热演化过程。研究结果表明，在InGaAs/GaAs界面附近的手性内在堆垛缺陷会发生热诱导的迁移和相互作用，从而在700℃时形成Lomer-Cottrell锁结构。在200至700℃之间，堆垛缺陷表现出滑动行为，这会触发它们转变为特征性的三层缺陷（TLD）结构，并且这种结构在烘烤过程中可以迅速消失。通过洛伦兹透射电子显微镜（LTEM）观察磁化配置，我们发现了由堆垛缺陷引起的磁涡旋的形成。这些磁涡旋是由海森堡交换相互作用和Dzyaloshinskii-Moriya相互作用（DMI）之间的竞争产生的。值得注意的是，随着场驱动偶极振荡的增强，磁斯塔克效应（magneto-Stark effect）能够实现垂直于平面和平行于平面的磁矢量场之间的转换。这项工作加深了对III-V族化合物半导体中缺陷动态的理解，并为外延生长过程中优化晶体质量提供了新的策略。

引言

为了在硅上实现单片光子集成，基于GaAs的半导体在外延生长上是制造高性能激光二极管的一种有前景的方法[[1], [2], [3], [4]]。然而，硅和GaAs之间的显著晶格失配会在Si/GaAs界面附近产生较大的局部应变，从而引发晶格缺陷[[5], [6], [7]]，包括Lomer位错[8]、60°位错（II型位错）[9]和堆垛缺陷[10]。作为典型的二维缺陷，堆垛缺陷（SF）由一对Shockley部分位错界定[11]。局部原子周期性的破坏可能导致能带内的电子捕获态的形成，从而降低器件性能[12,13]。

作为降低位错密度的一种基本技术，热退火常用于提高生长出的GaAs外延膜的晶体质量。根据Jung等人的机制[14]，热循环退火引起的位错滑动有助于消除穿透位错。同样，在Guo等人的实验[15]中，通过随机分布的反转域的侧向迁移来消除位错。尽管位错的热响应已在原子尺度上得到了广泛研究[6,16]，但关于热诱导的堆垛缺陷动态的研究仍然很少——特别是在施加外部热负荷下的堆垛缺陷反应方面。虽然堆垛缺陷通常被认为对光电器件的性能有害，但它们在半导体的机械性能中起着关键作用。例如，在碳化硅（SiC）等材料中，堆垛缺陷的运动和相互作用已知可以增强材料对辐射损伤的抵抗力，因为它们为点缺陷的复合提供了途径[[17], [18], [19], [20]]。这表明，对堆垛缺陷热力学的深入理解不仅对于最小化其负面影响至关重要，而且对于利用其在功能材料中的性质也非常重要。然而，像GaAs这样的III-V族系统中的堆垛缺陷的热动态仍然研究较少，特别是在热应力下的原子尺度演化和相互作用方面。此外，现有的物理模型[21]尚未考虑温度的影响，其作用也尚未得到充分理解。另外，由于尚未对GaAs中堆垛缺陷的磁性质进行原位研究，因此目前还没有描述热诱导的堆垛缺陷反应过程中的磁演化。

在这项工作中，我们利用像差校正的扫描透射电子显微镜（AC-STEM）和原位加热技术直接观察了(In)GaAs系统中内在堆垛缺陷的热演化过程。与由手性内在堆垛缺陷对形成的Lomer-Cottrell锁不同，本研究探讨了内在堆垛缺陷在原子尺度上转变为三层堆垛缺陷（TLDs）的过程。这些三层缺陷（TLDs）对外部热负荷非常敏感，可以通过加热迅速消除。值得注意的是，通过施加类似“滞回环”的外部磁激发来抑制0mT下的磁斯塔克效应，可以打破GaAs中堆垛缺陷的宇称对称性，从而产生非零的Dzyaloshinskii-Moriya（DM）系数。这是由于未配对的电子自旋在堆垛缺陷位点处局部化，形成了垂直于平面的磁涡旋。随后，随着外部磁场强度的变化，磁斯塔克效应显现出来，实现了垂直于平面和平行于平面的磁化纹理之间的转换。因此，可以得出结论，海森堡交换相互作用和DMI之间的竞争是触发局部内在堆垛缺陷处磁涡旋形成的主导因素。然而，当磁斯塔克效应由外部磁激发引起时，它可以使磁化矢量场沿着(1–10)原子平面对齐。在热环境中消除TLDs的过程中，载流子局域化的减弱预计会减少未配对电子自旋的数量，并抑制局部堆垛缺陷（SFs）处的磁斯塔克效应，最终导致这些区域的退磁。

部分摘录

外延工艺

InGaAs/GaAs位错过滤层（DFL）样品是在Veeco Gen 930固态源分子束外延系统中生长的，生长在n型Si（0<-->0<-->1）衬底上，具有4°的切向角度。硅衬底在600℃下脱气一小时，并在950℃的表面脱氧过程中通过原位RHEED进行监测。首先在375℃下通过迁移增强外延生长5nm的AlAs成核层，然后生长1.35μm的GaAs缓冲层。

结果与讨论

为了研究堆垛缺陷在热负荷下的结构演化，首先需要通过原子成像确认堆垛缺陷的存在。在室温下，在In_0.05Ga_0.95As /GaAs界面附近观察到了手性内在堆垛缺陷对（图1b和c中的蓝色方块标记）。当两个受限的Shockley部分位错（90°和30°）允许沿着$0\bar{1}1ˉ$或$10\bar{1}$晶体平面解离60°完美位错时，就会形成内在堆垛缺陷[23]。相应的Burgers

结论

总结来说，本文揭示了依赖于手性的堆垛缺陷反应的机制。在堆垛缺陷传播的阈值温度（200℃）以上，具有相同手性的堆垛缺陷对预计会形成Lomer-Cottrell锁结构。这种缺陷被证明是热稳定的，能够在高达700℃的温度下保持其原子结构。相比之下，在热保持过程中（300℃），非手性的堆垛缺陷对预计会生成TLDs，这类缺陷非常

CRediT作者贡献声明

胡文宇：撰写——原始草稿、可视化、验证、软件开发、实验研究、形式分析、数据管理。邓曼宇：验证、实验研究、数据管理。董家伟：可视化、验证、数据管理。邓勇：可视化、数据管理。邓慧文：可视化。唐明楚：撰写——审稿与编辑、方法论。王甘：撰写——审稿与编辑、资源获取、资金申请。王晓艺：撰写——审稿与编辑、验证、项目管理。

利益冲突声明

作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：刘慧云报告称获得了英国工程与物理科学研究委员会（UK Engineering and Physical Sciences Research Council）的财务支持。如果还有其他作者，他们声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。

致谢

本工作得到了英国工程与物理科学研究委员会（EP/Z532848/1, EP/X015300/1, EP/T028475/1, EP/S024441/1, EP/P006973/1）的支持。