溫 才 李方華? 鄒 進 陳 弘

1)(中國科學院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國家實驗室，北京 100190)

2)(Centre for Microscopy and Microanalysis and Materials Engineering，The University of Queensland，St.Lucia Queensland 4072，Australia)

(2009年12月21日收到；2009年12月29日收到修改稿)

AlSb/GaAs(001)失配位錯的高分辨電子顯微學研究*

溫 才1）李方華1）?鄒 進2）陳 弘1）

1)(中國科學院物理研究所北京凝聚態(tài)物理國家實驗室，北京 100190)

2)(Centre for Microscopy and Microanalysis and Materials Engineering，The University of Queensland，St.Lucia Queensland 4072，Australia)

(2009年12月21日收到；2009年12月29日收到修改稿)

用200 kV六硼化鑭光源的高分辨透射電子顯微鏡觀察了AlSb/GaAs(001)外延薄膜的失配位錯，結(jié)合解卷處理方法把[110]高分辨電子顯微像轉(zhuǎn)換為試樣的結(jié)構(gòu)投影圖，其分辨率接近電子顯微鏡的信息極限.根據(jù)贗弱相位物體近似像襯理論，通過分析AlSb薄膜完整區(qū)解卷像的襯度隨試樣厚度的變化，確定了啞鈴原子對中Al和Sb原子的位置.在此基礎(chǔ)上構(gòu)建出失配位錯的結(jié)構(gòu)模型，再結(jié)合模擬像與實驗像的匹配，確定了AlAs型界面以及Lomer和60°兩類失配全位錯的核心結(jié)構(gòu).

高分辨電子顯微像，解卷處理，界面，失配位錯

PACC：6116D，6170J

1.引 言

InAs，GaSb和AlSb三種半導體二元化合物的點陣常數(shù)均接近6.1?.在這三種化合物的基礎(chǔ)上又進一步形成了多元化合物，組成了所謂的6.1?半導體家族.6.1?家族成員能隙分布范圍較寬，在新型電子和光電子器件上有廣闊的應用前景[1].用分子束外延(MBE)方法在常用的GaAs(001)襯底上生長上述化合物薄膜時，首先生長一層薄的AlSb成核層，有助于提高薄膜質(zhì)量[1—3].對于晶格失配較大的面心立方異質(zhì)結(jié)構(gòu)，界面上形成的90°失配全位錯(即Lomer位錯：位錯線沿〈110〉方向，與其垂直的伯格斯矢量b為a/2〈110〉類型[4—6])是釋放應力和減少穿透位錯的最有效方式[7，8].然而，面心立方晶體的｛111｝面為易滑移面，在界面上不可避免地還形成60°失配全位錯和失配不全位錯及其所伴隨的層錯[3，9].為了優(yōu)化AlSb成核層，理解薄膜生長過程中應變弛豫和失配位錯對薄膜性能的影響，有必要研究AlSb/GaAs(001)界面中各種失配位錯的核心結(jié)構(gòu).

AlSb，GaAs皆為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，點陣常數(shù)分別為0.613和0.565 nm，之間的失配度約為8.5%.兩種晶體[110]投影結(jié)構(gòu)中的Al-Sb和Ga-As原子對(習慣上形象地稱為“啞鈴”)間距分別為0.153 nm和0.141 nm.顯然，常用的中等電壓(比如200 kV)高分辨透射電子顯微鏡(以下簡稱電鏡)的點分辨本領(lǐng)不夠高，不能分辨間距如此小的原子.實踐證明，用不同的圖像處理技術(shù)有助于提高像的分辨率，以得到原子分辨率的晶體結(jié)構(gòu).例如，在NiSi2/Si異質(zhì)結(jié)構(gòu)中NiSi2的晶體結(jié)構(gòu)為CaF2類型，Si為金剛石類型，兩者失配度為0.4%.對JEOL4000EX電鏡拍攝的高分辨電子顯微像(以下簡稱高分辨像)結(jié)合衍射強度數(shù)據(jù)用最大熵線性像重構(gòu)方法處理之后，得到了界面的原子結(jié)構(gòu)[10].又如，Si0.76Ge0.24的晶體結(jié)構(gòu)為金剛石類型，Si和Ge原子呈無序分布，對200 kV場發(fā)射電鏡拍攝的[110]Si0.76Ge0.24高分辨像進行解卷處理后，分辨開了啞鈴中間距為0.14 nm的一對Si(Ge)原子[11—13].

眾所周知，高分辨像總要受到物鏡襯度傳遞函數(shù)(CTF)的調(diào)制，只有在Scherzer聚焦條件下[14]CTF的調(diào)制微不足道，像才能直觀地反映晶體的結(jié)構(gòu)投影.遠離Scherzer條件時，CTF的調(diào)制可使高分辨像嚴重畸變，以致不能反映晶體的結(jié)構(gòu).對高分辨像進行解卷處理可以消除高分辨像的畸變，使解卷處理后的像(稱為解卷像)反映晶體的投影結(jié)構(gòu)，同時將像的分辨率提高至電鏡的信息極限.解卷處理最初著眼于測定完整晶體的結(jié)構(gòu)[15，16]，后來擴展到測定晶體缺陷核心的原子位置[11—13，17，18].對200 kV場發(fā)射電鏡的實驗像進行解卷處理之后，得到了Si0.76Ge0.24薄膜中的60°位錯[11，12]和Lomer位錯[13]的核心結(jié)構(gòu).此外，在3C-SiC的[110]投影結(jié)構(gòu)中，啞鈴中Si-C原子間距為0.109 nm，雖然此間距遠小于200 kV LaB6燈絲電鏡的點分辨本領(lǐng)，但是通過對像進行解卷處理，像的質(zhì)量和分辨率均明顯提高，再結(jié)合贗弱相位物體近似[19]分析像襯度隨晶體厚度的變化，仍可分辨出Si和C原子，得到了3C-SiC薄膜中的30°不全位錯和微孿晶的結(jié)構(gòu)細節(jié)[18].

本文用200 kV LaB6燈絲電鏡，借助解卷處理和像襯度分析鑒別了AlSb顯微像中的Al和Sb原子，進一步研究了MBE方法生長的AlSb/GaAs (001)界面失配位錯的結(jié)構(gòu).

2.實驗方法

采用VG V80H型MBE系統(tǒng)在GaAs(001)襯底上生長AlSb薄膜，該系統(tǒng)由閥控As裂解爐和傳統(tǒng)的Sb束源爐分別提供As2和Sb4分子.Al和Ga分子則分別由傳統(tǒng)的Al爐和Ga爐提供.首先，GaAs襯底在As氣氛保護下升溫至約580℃脫表面氧化膜，然后降至570℃生長約300 nm厚的純GaAs膜，以獲得一個較平整的GaAs表面.結(jié)束同質(zhì)外延后，襯底的溫度在As氣氛保護下降至510℃，關(guān)閉As源2 s隨即生長一層30 nm厚的AlSb成核層，然后生長1.1μm厚的GaSb層，后者是作為隨后生長超晶格的緩沖層.生長過程中，較高的生長溫度與合適的V/III比有利于薄膜保持較好的化學計量比.

依次用機械研磨、拋光和Ar離子束減薄技術(shù)制備〈110〉截面的電鏡樣品.在40萬倍下用JEM-2010 LaB6燈絲透射電鏡拍攝高分辨像，電鏡的球差系數(shù)為0.5 mm，點分辨本領(lǐng)為0.194 nm.用Epson4870型掃描儀對拍攝于電子感光片上的像進行數(shù)字化.

3.結(jié)果和討論

3.1.[110]高分辨像

用AlSb/GaAs外延膜〈110〉截面樣品拍攝了一系列不同離焦條件的高分辨像.圖1是從中挑選出的一幅像，箭頭指向界面區(qū)，圖的右上角是對應于界面區(qū)顯微像的傅里葉變換圖，稱衍射圖(diffractogram).衍射圖中有兩套衍射斑點，外側(cè)的一套對應于GaAs，內(nèi)側(cè)的對應于AlSb.兩套111，衍射斑均出現(xiàn)齊全，其中004衍射斑的晶面間距恰等于Al與Sb原子(或Ga與As原子)的最近鄰間距.說明這些衍射束未落在CTF的零截點附近，像中攜帶了恢復原子分辨率晶體結(jié)構(gòu)的必要信息.因此，所挑選的高分辨像(見圖1)適于解卷處理.在像的界面區(qū)箭頭所指處可見一系列失配位錯，其中標記為D1—D6的六個矩形放大示于圖2，可見它們各含有一個位錯.顯然此像未能直接反映原子分辨率的晶體結(jié)構(gòu).像中的黑點或白點未必代表原子，只反映出晶體的點陣.以下將對六個矩形像區(qū)逐一進行解卷處理，以求得原子分辨率的結(jié)構(gòu)投影圖.

圖1 AlSb/GaAs(001)的[110]高分辨像(矩形P選自晶格完整區(qū)，矩形D1至D6選自界面區(qū)，箭頭指向界面，右上角是對應于界面區(qū)顯微像的傅里葉變換圖，左下方包含非晶的圓形區(qū)用于測定離焦量)

3.2.像的解卷處理

3.2.1.原理

圖2 對應圖1中D1—D6六個矩形區(qū)顯微像的放大像(｛111｝截斷半原子面用箭頭標示) (a)D1區(qū)；(b) D2區(qū)；(c)D3區(qū)；(d)D4區(qū)；(e)D5區(qū)；(f)D6區(qū)

關(guān)于高分辨像解卷處理的原理和方法，已有詳細報道[15—17]，此處僅作簡要介紹.按照贗弱相位物體近似像襯理論[19]，當晶體試樣的厚度小于某一定臨界值(通常小于10 nm，隨晶體原子序數(shù)增大而減小和隨電子加速電壓升高而增加)時，像強度公式寫作

其中σ=π/λU為相互作用常數(shù)，λ表示電子波長，U表示電子加速電壓，φ'(r)為晶體的贗電勢投影，F(xiàn)-1和*分別為反傅里葉變換和卷積符號，T(H)為相位物體的CTF，r和H分別為正空間和倒易空間的二維坐標.φ'(r)的峰位置與電勢投影一致，但較重原子的峰相對地下降，輕原子的峰高上升.于是，φ'(r)代表晶體投影結(jié)構(gòu)的函數(shù).對(1)式作傅里葉變換得

式中i(H)為像的衍射圖，δ(H)表示狄拉克δ函數(shù)，代表透射電子束，F(xiàn)(H)是φ'(r)的傅里葉變換.忽略透射電子束后，(2)式可寫為

(3)式說明，若已知CTF，則從像的傅里葉變換i(H)可求得F(H).再對F(H)作反傅里葉變換，即得贗電勢投影圖φ'(r)，又稱解卷像.T(H)取決于成像時的各種電子光學參數(shù)，通常除離焦量外，其他參數(shù)大都已知，因此，對像作解卷處理的關(guān)鍵步驟是測定離焦量.

3.2.2.測定離焦量

取圖1左下方以非晶為主，包含少量AlSb晶體的圓形區(qū)，作傅里葉變換，得到與晶體像的衍射圖相疊的Thon衍射圖[20]，示于圖3.用晶體的衍射斑作為傅里葉空間的長度標尺.Thon衍射圖中的亮環(huán)對應于CTF的極大或極小處，細的暗環(huán)對應于零值.在離焦量為+10—-24 nm之間，取步長1 nm，計算一系列CTF曲線，與圖3 Thon衍射圖的亮環(huán)和暗環(huán)的空間頻率相匹配，測得離焦量為-9 nm.因為待測界面位錯區(qū)D1—D6與此圓形區(qū)有一定距離且厚度大于圓形區(qū)，所以-9 nm只是D1—D6區(qū)的大致離焦量，準確的離焦量將在解卷過程中予以修正.

3.2.3.解卷像

分別以D1—D6區(qū)為中心，選取待處理的圓形像區(qū)，直徑約為24 nm.在每幅圓形像之外畫一個正方形，其邊長等于或略大于圓直徑，在圓與正方形之間賦予圓形像的平均灰度值，做成六幅含(1024 ×1024)像素的正方形像.圓形像之外的平均灰度值起平滑作用，以減弱進行傅里葉變換時的斷尾效應.對正方形像做傅里葉濾波，濾波窗口為橢圓形，橢圓的長軸垂直于AlSb與GaAs的界面，窗口的尺寸以盡量保留位錯結(jié)構(gòu)的信息，而相鄰窗口又不相互重疊為準.依據(jù)Thon衍射圖測定的離焦量，在-10—-19 nm之間令步長0.2 nm設(shè)置嘗試離焦量，得46個離焦量，分別用這些離焦量對六個像區(qū)作解卷處理，得到分別對應于D1—D6的46個嘗試贗電勢分布圖.從中選出原子分辨得最清楚的，示于圖4.相應地得出D1的離焦量為-15.2 nm，D2的離焦量為-16.4 nm，D3，D4，D5和D6的離焦量均為-17.4 nm.在解卷像上通過伯格斯回路分析，得知其中D1—D5區(qū)的位錯為Lomer位錯，D6區(qū)的是60°位錯，解卷像上的箭頭標示出｛111｝截斷半原子面.對更大范圍的界面進行觀察，在約90 nm長的AlSb/GaAs(001)界面上找到3個60°位錯和16個Lomer位錯，可見界面上的失配位錯中，以Lomer位錯為主(＞80%).值得指出，界面沒有觀察到失配不全位錯.這是由于失配不全位錯弛豫應變的能力低于失配全位錯，因此失配不全位錯的產(chǎn)生不是弛豫系統(tǒng)應變的有效方式，特別是對于應變較大的系統(tǒng)(例如本文中失配約為8.5%的AlSb/GaAs系統(tǒng)).

圖3 AlSb晶體像的衍射圖與Thon衍射圖相疊(右下角為匹配的CTF曲線，Δf=-9 nm，用衍射斑作為傅里葉空間的長度標尺)

圖4 對應圖1六個矩形區(qū)D1—D6顯微像的解卷像(｛111｝截斷半原子面用箭頭標示，Lomer位錯核心中心的原子與60°位錯截斷半原子面終端均用圓圈標記) (a)D1區(qū)；(b)D2區(qū)；(c)D3區(qū)；(d)D4區(qū)；(e)D5區(qū)；(f)D6區(qū)

3.3.判斷Al和Sb原子的位置

盡管解卷像圖4比原始像圖2的質(zhì)量明顯提高，一部分最近鄰Al-Sb(或Ga-As)原子對顯示為兩個分開的黑點，但仍不能辨認出原子的種類.贗弱相位物體近似像襯理論[19]指出，對于傳統(tǒng)的正球差系數(shù)的電鏡，最初，所有組成原子的像襯度隨著晶體厚度的增加而增大，但較輕的原子的像襯度增加得比較重的原子快.當晶體厚度進一步增加時，重原子的像襯度開始降低，輕原子襯度繼續(xù)上升.當晶體的厚度達到或超過臨界值時，重原子的像襯度反轉(zhuǎn)為負值，即重原子在像上顯示為白點而輕原子仍保持為黑.以下將借助像襯度隨晶體厚度的變化規(guī)律區(qū)分不同的原子.

取圖1中完整區(qū)P，其放大像如圖5(a)所示.以P區(qū)為中心，選取直徑等于32 nm的圓形像區(qū)，從-5 nm到-30 nm設(shè)置一系列嘗試離焦量，步長0. 1 nm，分別用每個離焦量對像作解卷處理，并結(jié)合衍射振幅校正[17]，在得到的一系列嘗試贗電勢分布圖中，質(zhì)量最好的應是正確的解卷像，如圖5(b)所示，對應的離焦量為-15.9 nm.解卷像中可以清晰地看到Al-Sb啞鈴結(jié)構(gòu).為了判斷這兩種原子的相對位置，從左端薄區(qū)至右端厚區(qū)(分別對應圖1中P區(qū)的上部和下部)測量圖5(b)中線段標記的Al-Sb原子對的灰度值，得到相應的灰度值曲線，如圖5 (c)—(e)所示.像襯度越黑，灰度值越高，像襯度為白時的灰度值為零.根據(jù)該Al，Sb原子襯度的灰度值變化曲線，利用像襯規(guī)律判斷出圖5(b)中原子對的左端為Al原子，右端為Sb原子.相應地在圖1中Al原子在Al-Sb原子對的上端，Sb原子在下端.由于圖1中未見AlSb像區(qū)有平行于水平方向的面缺陷，故上述Al和Sb原子的相對位置應一直延伸到像下端的界面上.于是，根據(jù)陰陽離子間的成鍵關(guān)系，進一步確定出圖1中GaAs襯底的Ga和As原子分別位于Ga-As啞鈴原子對的上端和下端.

圖5 辨認Al和Sb原子的過程 (a)圖1中完整區(qū)P顯微像的放大像(從左至右晶體厚度逐漸增加)；(b)對應于(a)的解卷像(Δf=-15.9 nm)；(c)，(d)，(e)分別對應(b)中三條線段(Ⅰ)，(Ⅱ)，(Ⅲ)標記的原子對像襯度的灰度值曲線圖

3.4.界面位錯核心結(jié)構(gòu)分析

3.4.1.Lomer位錯

下面選用D1區(qū)為例，對解卷像進行分析，以確定Lomer位錯的核心結(jié)構(gòu).D1的放大像示于圖6 (a)(也是圖2(a)的放大像)，像的襯度雖不清晰，但仍可見箭頭所指的｛111｝截斷半原子面.圖6(b)是對應于圖6(a)的解卷像，原子顯示為黑，襯度明顯改善，且能看見兩個截斷半原子面終止于位錯核心的同一個原子(用圓圈標記).圖6(c)中用線段連接該原子的鄰近原子，形成了由一個6原子環(huán)和一個8原子環(huán)構(gòu)成的6-8環(huán)Lomer位錯核心結(jié)構(gòu).

圖6 Lomer位錯核心結(jié)構(gòu)的分析 (a)圖1矩形區(qū)D1顯微像的放大像；(b)(a)的解卷像(Δf=-15.2 nm，Lomer位錯核心中心的原子用圓圈標記)；(c)解卷像與6-8環(huán)位錯核心模型重疊；(d)(c)中心部分的放大像(空心箭頭指向懸鍵原子As，水平箭頭指向界面)

關(guān)于6-8環(huán)和類似的Lomer位錯結(jié)構(gòu)已有一些報道[6，13，21—23].1958年Hornstra[21]從理論上討論了Lomer位錯核心的可能結(jié)構(gòu)，提出了兩類結(jié)構(gòu)模型，一類由一個5原子環(huán)和一個7原子環(huán)構(gòu)成的5-7環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖7(a)所示；另一類是上述的6-8環(huán)結(jié)構(gòu)，如圖7(b)所示，它的特點是位錯核心的中心有一個懸鍵原子(空心箭頭所指)，而5-7環(huán)結(jié)構(gòu)中則無懸鍵原子.后來，兩類Hornstra位錯結(jié)構(gòu)均為實驗所證實.在Si0.76Ge0.24/Si(100)[13]和In0.3Ga0.7As/GaAs (110)[6]中曾分別觀察到5-7環(huán)結(jié)構(gòu)和6-8環(huán)結(jié)構(gòu)，在GaAs/Si(001)中則兩類Hornstra位錯結(jié)構(gòu)都曾觀察到[22，23].本工作從解卷像上確定的Lomer位錯核心結(jié)構(gòu)為6-8環(huán)，屬于第二類Hornstra位錯結(jié)構(gòu)，但因界面有應力而使6-8環(huán)結(jié)構(gòu)偏離圖7(b)的理想情況，左右不再呈鏡面對稱.

為了構(gòu)建對應于AlSb/GaAs界面6-8環(huán)Lomer位錯核心的結(jié)構(gòu)模型，還需要確定解卷像中每個黑點代表的原子種類.為此將圖6(c)的中心部分放大，示于圖6(d)，圖中清楚可見6-8環(huán)中心有懸鍵原子(空心箭頭所指)，以下首先分析此原子.3.3節(jié)曾得出，解卷像中Al-Sb啞鈴(即原子對)的上端為Al原子，下端為Sb原子；Ga-As啞鈴的上端為Ga原子，下端為As原子.在晶格失配約8.5%的AlSb/ GaAs(001)界面上，AlSb與GaAs的晶格匹配約為12∶13.即在[110]投影結(jié)構(gòu)中，大體上沿水平方向排列的12個Al-Sb啞鈴對應于13個Ga-As啞鈴，多余的一個Ga-As啞鈴是導致界面附近形成一個Lomer位錯的原因.于是，圖6(d)的懸鍵原子必然是As原子，它的出現(xiàn)說明在MBE外延生長過程中，GaAs襯底的上表面是As原子面.根據(jù)陰陽離子間的成鍵關(guān)系，隨后在As原子面外延生長的只能是AlSb中的Al原子面.這樣，可以確定解卷像中每個黑點所代表的原子種類，得出核心結(jié)構(gòu)的模型(見圖6(d)).因AlSb中的Al原子與GaAs中的As原子鍵合，形成的界面(水平箭頭所指)類型為AlAs型.

圖7 Hornstra從理論上提出的兩類Lomer位錯結(jié)構(gòu) (a)5-7環(huán)結(jié)構(gòu)；(b)6-8環(huán)結(jié)構(gòu)(位錯核心中心的一個懸鍵原子用空心箭頭標示)

仔細分析圖4中的解卷像，發(fā)現(xiàn)在D1—D5區(qū)的五個Lomer位錯核心結(jié)構(gòu)都與6-8環(huán)結(jié)構(gòu)吻合.圖4(b)—(e)的解卷像上用圓圈標出了D2—D5區(qū)Lomer位錯核心中心的As原子.綜上所述，本文研究的AlSb/GaAs界面屬于AlAs型，觀察到的Lomer位錯結(jié)構(gòu)均為6-8環(huán)，屬于上述第二類Hornstra位錯結(jié)構(gòu).

3.4.2.60°位錯

對于60°位錯，也存在兩種類型，glide型和shuffle型，兩類60°位錯具有不同的核心結(jié)構(gòu)，其｛111｝截斷半原子面終端分別為一個原子和一對原子，如圖8所示[24].圖9(a)是D6區(qū)位錯的放大像，其解卷像示于圖9(b).在解卷像上，位錯所導致的｛111｝截斷半原子面終端顯示為未能完全分辨開的兩個黑點.圖9(b)右上角插入這兩個相連黑點的灰度值曲線，兩個峰各對應于一個原子，于是D6區(qū)的位錯為shuffle型60°位錯.進一步通過上述圖6(c)可知，解卷像上遠離AlAs型界面的一對Al-Sb啞鈴的間距顯著大于一對Ga-As啞鈴間距，界面附近的Al-Sb啞鈴對間距稍縮小但仍大于Ga-As啞鈴對間距，Al-As啞鈴對的間距與Ga-As啞鈴對間距近似相等.圖9(c)所示為模型與解卷像相疊，圖9(d)是單獨的模型.事實上，glide型60°位錯在半導體中常常沿著它的滑移面分解為兩個不全位錯以降低整個系統(tǒng)的能量[25，26]，而shuffle型60°位錯需要較高的能量才能分解.

圖8 兩類60°位錯的[110]投影結(jié)構(gòu)模型(箭頭指向的｛111｝截斷半原子面的終端用橢圓標記) (a)glide型；(b)shuffle型

3.5.模擬像

為進一步驗證Lomer和60°兩個位錯結(jié)構(gòu)模型，用多片法[27]計算了模擬像.先從解卷像上讀取原子位置(見圖6(c)和圖9(c)中的黑點)的坐標，分別做兩個虛構(gòu)的二維晶胞，其面積等于解卷像區(qū).再做兩個AlSb/GaAs完整晶體的大晶胞，面積約為二維晶胞的3×3倍.把兩個含位錯的二維晶胞分別居中置換完整大晶胞的相應內(nèi)容，分別得到含Lomer和60°界面失配位錯的兩個大晶胞，用于計算模擬像.

圖9 確定60°位錯核心結(jié)構(gòu) (a)圖1矩形區(qū)D6顯微像的放大像；(b)(a)的解卷像(Δf=-17.4 nm，｛111｝截斷半原子面終端用圓圈標記，右上角為此終端(兩個相連黑點)的灰度值曲線)；(c)解卷像與結(jié)構(gòu)模型重疊(水平箭頭指向界面位置)；(d)結(jié)構(gòu)模型

模擬像計算中令片厚等于GaAs沿[110]方向的重復周期，即aGaAs/2=0.4 nm，它又等于AlSb 沿此方向重復周期的92.1%(等于GaAs與AlSb晶胞參數(shù)之比)，于是將每片AlSb的占位率降低至92.1%.計算出射波函數(shù)的衍射束數(shù)目約等于參與成像衍射束數(shù)目的兩倍.改變晶體厚度(從5—25片，間隔1片)和晶體傾角(0，5，9.5和19 mrad)，針對兩個大晶胞各計算一系列不同離焦量(-12至-25 nm，間隔1 nm，含位錯的解卷離焦量)的像，取其中心，即位錯區(qū)的系列模擬像，分別與實驗像(圖6(a)和圖9(a))匹配.與實驗像符合較好的模擬像示于圖10(a)和(b)中.前者對應于含Lomer位錯的解卷像(圖6(c))，離焦量為-15.2 nm，厚度為4.8 nm；后者對應于含60°位錯的解卷像(圖9(c))，離焦量為-17.4 nm，厚度為5.2 nm.晶體傾角均為9. 5 mrad.于是，確認了從解卷像得到的結(jié)構(gòu)模型是可靠的.

圖10 多片法計算的模擬像(｛111｝截斷半原子面用箭頭標示) (a)D1區(qū)Lomer位錯模擬像(Δf=-15.2 nm，厚度4.8 nm，晶體傾角9.5 mrad)；(b)D6區(qū)60°位錯模擬像(Δf=-17.4 nm，厚度5.2 nm，晶體傾角9.5 mrad)

4.結(jié) 論

本文用200 kV LaB6燈絲高分辨電鏡結(jié)合高分辨像的解卷處理，研究了生長在GaAs(001)襯底上，作為成核層的AlSb薄膜的結(jié)構(gòu).首先獲得了直接反映AlSb/GaAs[110]投影結(jié)構(gòu)的解卷像，且提高了像分辨率.其次，借助贗弱相位物體近似像襯理論，分析了完整晶體解卷像上Al和Sb原子像襯度隨樣品厚度的變化，確定了Al-Sb啞鈴原子對中Al和Sb原子的相對位置.在此基礎(chǔ)上，從解卷像的襯度上初步得出Lomer和60°兩類界面失配位錯的核心結(jié)構(gòu)，Lomer位錯結(jié)構(gòu)為6-8環(huán)，60°位錯為shuffle型.據(jù)此構(gòu)建了這兩類位錯核心的結(jié)構(gòu)模型，計算了模擬像，對比實驗像和模擬像進一步驗證了上述結(jié)論，并確定AlSb/GaAs界面類型為AlAs型.

本工作說明，對高分辨電子顯微像進行解卷處理并借助贗弱相位物體近似像襯理論分析解卷像的襯度，可以得到同樣實驗條件下用常規(guī)分析方法所得不到的結(jié)果.

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*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.50672124).?Corresponding author.E-mail：lifh@aphy.iphy.ac.cn

High-resolution electron m icroscopy ofm isfit dislocations in AlSb/GaAs(001)system*

Wen Cai1)Li Fang-Hua1)?Zou Jin2)Chen Hong1)
1)(Beijing National Laboratory for Condensed Matter Physics，Institute of Physics，Chinese Academy of Sciences，Beijing 100190，China)
2)(Centre for Microscopy and Microanalysis and Materials Engineering，The University of Queensland，St.Lucia Queensland 4072，Australia)
(Received 21 December 2009；revised manuscript received 29 December 2009)

The detailed core structures ofmisfit dislocations in the AlSb/GaAs(001)heterostructure system were studied by 200 kV LaB6filament high-resolution electron microscope.In combination with image deconvolution，the[110]images were transformed into the projected structuremaps，and the image resolution was enhanced up to the information limit of the microscope.To distinguish Al and Sb atoms in the AlSb film，the image contrast change with the sample thickness was analyzed for the perfect region in deconvoluted image，and the positions of Al and Sb atoms in the dumbbells were determined based on the image contrast theory of the pseudo-weak-phase object approximation.Then the structuremodels of two types ofmisfit dislocations were constructed.As the simulated images are in good agreementwith the experimental images，the AlAs type interface and the core structures of obtained Lomer and 60°misfit dislocations were determined.

high-resolution electron microscopic image，image deconvolution，interface，misfit dislocation

*國家自然科學基金(批準號：50672124)資助的課題.

?通訊聯(lián)系人.E-mail：lifh@aphy.iphy.ac.cn