[发明专利]一种氮化镓位错双光子超分辨显微三维成像装置及方法

说明书

本发明公开了一种氮化镓位错双光子超分辨显微三维成像装置及方法。本发明利用光学手段对氮化镓位错进行三维成像，是一种非接触式成像，不会对样品造成破坏，不涉及昂贵的扫描电镜等设备，也不需要对样品进行预处理，单次成像区域面积大，同时该设备成像分辨率较高，成像速度快；激发光源为光纤激光器，其成本较低，结构简单，稳定性强，易于维护，对氮化镓晶体激发效率高，荧光信号易于探测，检测模块可以灵活配置；结合氮化镓位错的荧光特性，提出利用涡旋光束作为激发光，能够获得超过衍射极限的横向空间分辨能力。

技术领域

本发明涉及光学成像技术，具体涉及一种基于涡旋光束的氮化镓位错超分辨双光子荧光显微三维成像装置及其成像方法。

背景技术

氮化镓是一种三五族半导体材料，具有禁带宽度宽，电子迁移率高，熔点高，击穿电压高，热导率高等特点，由于其优秀的电学以及光学性质，在近些年获得了越来越多的关注。基于氮化镓的半导体器件也得到了广泛的应用，如基于氮化镓的发光二极管，半导体激光器，高功率及高频晶体管等。

由于缺少本征衬底，氮化镓材料在生产制造时，一般利用外来材料(如蓝宝石等)作为衬底，进行外延生长。然而，由于异质衬底和外延层之间的晶格失配和热膨胀系数的差异，会使得在生长出的氮化镓材料中产生密度为10⁶～10¹⁰cm^-2的位错，同时，这些位错会随着外延方向生长，形成类似于线条一样的缺陷，被称为穿线位错。位错的存在，会对基于氮化镓材料的器件性能造成严重的不良影响。

为了降低氮化镓的位错密度，人们进行了大量的研究。氮化镓的位错密度与衬底材料，生长厚度以及生长工艺等条件密切相关，如何对不同条件下生长的材料位错进行观察，并对位错密度进行评估，是降低氮化镓位错密度中非常重要的一环。同时，位错在外延生长过程中，会随着材料的外延方向生长，这就需要检测设备具有三维成像的能力。另外，由于氮化镓位错的尺寸很小，在原子量级，也需要检测设备具有高的空间分辨能力。

在传统的位错检测方法中，最常用的有透射电子显微镜测量法，蚀坑法(the etchpit method)，阴极发光测量法等。透射电子显微镜具有很高的空间分辨率，但是只能对样品进行二维成像，在测量前还需要对样品进行复杂的预处理，其单次测量尺寸也被限制在几个平方微米的范围。同时，透射电子显微镜的价格昂贵，不适合于大批量的商用检测。蚀坑法同样需要对样品进行预处理，且只能对材料表面进行处理，难以追踪穿线位错的生长情况。以上两种方法对样品会造成不可逆的损坏，测量完成后样品无法被再次使用。阴极发光法虽然对样品本身不会造成破坏，但是其探测范围也被限制在样品表面，无法观察位错的三维分布。因此，上述几种方法由于自身的局限性限制了其在氮化镓位错检测中的进一步应用。

氮化镓材料在一定光照条件下会产生荧光，但是其位错为非辐射复合中心，当有光照射时不会发射荧光，曾经有人提出过用荧光成像的方法来观察氮化镓位错。然而，普通的单光子荧光成像也只能对样品表面进行二维成像，成像深度只有1微米左右，其成像分辨率较差，结果不够理想。另外，由于氮化镓禁带宽度为3.4eV(365nm)，需要用紫外波段的激光进行激发，相应的激光源比较缺乏，同时紫外波段的光学元器件价格昂贵，所以这一方法并没有得到大量应用。

发明内容

基于上述提到的氮化镓位错显微成像的发展现状与局限，本发明提出了一种基于涡旋光束的氮化镓位错超分辨双光子荧光显微三维成像装置及其成像方法；本发明利用成本低、装置简单、分辨率较高、成像速度较快、稳定性强且具有三维成像能力的技术对氮化镓位错进行直接观察，对于基于氮化镓材料的器件的应用具有非常重要的意义。

本发明的一个目的在于提出一种基于涡旋光束的氮化镓位错超分辨双光子荧光显微三维成像装置。