[發明專利]一種氮化鎵位錯雙光子超分辨顯微三維成像裝置及方法

有效

• 申請號: 202110291166.3
• 申請日: 2021-03-18
• 公開（公告）號: CN113075177B
• 公開（公告）日: 2022-02-11
• 發明（設計）人: 施可彬;楊文凱;王新強;楊宏;龔旗煌
• 申請（專利權）人: 北京大學
• 主分類號: G01N21/64
• 分類號: G01N21/64
• 代理公司: 北京萬象新悅知識產權代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

本發明公開了一種氮化鎵位錯雙光子超分辨顯微三維成像裝置及方法。本發明利用光學手段對氮化鎵位錯進行三維成像，是一種非接觸式成像，不會對樣品造成破壞，不涉及昂貴的掃描電鏡等設備，也不需要對樣品進行預處理，單次成像區域面積大，同時該設備成像分辨率較高，成像速度快；激發光源為光纖激光器，其成本較低，結構簡單，穩定性強，易于維護，對氮化鎵晶體激發效率高，熒光信號易于探測，檢測模塊可以靈活配置；結合氮化鎵位錯的熒光特性，提出利用渦旋光束作為激發光，能夠獲得超過衍射極限的橫向空間分辨能力。

技術領域

本發明涉及光學成像技術，具體涉及一種基于渦旋光束的氮化鎵位錯超分辨雙光子熒光顯微三維成像裝置及其成像方法。

背景技術

氮化鎵是一種三五族半導體材料，具有禁帶寬度寬，電子遷移率高，熔點高，擊穿電壓高，熱導率高等特點，由于其優秀的電學以及光學性質，在近些年獲得了越來越多的關注?；诘壍陌雽w器件也得到了廣泛的應用，如基于氮化鎵的發光二極管，半導體激光器，高功率及高頻晶體管等。

由于缺少本征襯底，氮化鎵材料在生產制造時，一般利用外來材料(如藍寶石等)作為襯底，進行外延生長。然而，由于異質襯底和外延層之間的晶格失配和熱膨脹系數的差異，會使得在生長出的氮化鎵材料中產生密度為10⁶～10¹⁰cm^-2的位錯，同時，這些位錯會隨著外延方向生長，形成類似于線條一樣的缺陷，被稱為穿線位錯。位錯的存在，會對基于氮化鎵材料的器件性能造成嚴重的不良影響。

為了降低氮化鎵的位錯密度，人們進行了大量的研究。氮化鎵的位錯密度與襯底材料，生長厚度以及生長工藝等條件密切相關，如何對不同條件下生長的材料位錯進行觀察，并對位錯密度進行評估，是降低氮化鎵位錯密度中非常重要的一環。同時，位錯在外延生長過程中，會隨著材料的外延方向生長，這就需要檢測設備具有三維成像的能力。另外，由于氮化鎵位錯的尺寸很小，在原子量級，也需要檢測設備具有高的空間分辨能力。

在傳統的位錯檢測方法中，最常用的有透射電子顯微鏡測量法，蝕坑法(the etchpit method)，陰極發光測量法等。透射電子顯微鏡具有很高的空間分辨率，但是只能對樣品進行二維成像，在測量前還需要對樣品進行復雜的預處理，其單次測量尺寸也被限制在幾個平方微米的范圍。同時，透射電子顯微鏡的價格昂貴，不適合于大批量的商用檢測。蝕坑法同樣需要對樣品進行預處理，且只能對材料表面進行處理，難以追蹤穿線位錯的生長情況。以上兩種方法對樣品會造成不可逆的損壞，測量完成后樣品無法被再次使用。陰極發光法雖然對樣品本身不會造成破壞，但是其探測范圍也被限制在樣品表面，無法觀察位錯的三維分布。因此，上述幾種方法由于自身的局限性限制了其在氮化鎵位錯檢測中的進一步應用。

氮化鎵材料在一定光照條件下會產生熒光，但是其位錯為非輻射復合中心，當有光照射時不會發射熒光，曾經有人提出過用熒光成像的方法來觀察氮化鎵位錯。然而，普通的單光子熒光成像也只能對樣品表面進行二維成像，成像深度只有1微米左右，其成像分辨率較差，結果不夠理想。另外，由于氮化鎵禁帶寬度為3.4eV(365nm)，需要用紫外波段的激光進行激發，相應的激光源比較缺乏，同時紫外波段的光學元器件價格昂貴，所以這一方法并沒有得到大量應用。

發明內容

基于上述提到的氮化鎵位錯顯微成像的發展現狀與局限，本發明提出了一種基于渦旋光束的氮化鎵位錯超分辨雙光子熒光顯微三維成像裝置及其成像方法；本發明利用成本低、裝置簡單、分辨率較高、成像速度較快、穩定性強且具有三維成像能力的技術對氮化鎵位錯進行直接觀察，對于基于氮化鎵材料的器件的應用具有非常重要的意義。

本發明的一個目的在于提出一種基于渦旋光束的氮化鎵位錯超分辨雙光子熒光顯微三維成像裝置。