利用扫描电镜阴极发光模式(SEM-CL)表征半导体位错

在半导体材料科学与器件物理领域，位错（Dislocations）的存在远非单纯的晶格结构瑕疵，它们往往扮演着影响乃至决定器件光电性能的关键角色。一个核心的物理机制是，在许多半导体材料中，位错是极为高效的非辐射复合中心（nonradiative recombination centers）。

当电子束激发半导体基体使其产生特征发光时，这些作为非辐射复合“陷阱”的位错区域，会捕获并消耗载流子，却不产生光子。结果便是在扫描电镜-阴极发光（SEM-CL）图像中，这些位错会呈现为清晰的暗点或暗线，与明亮的发光基体形成鲜明对比。这为我们提供了一个直观、高分辨率的可视化手段，来精准定位那些对器件性能构成潜在威胁的缺陷。

图1展示了一个绝佳的实例。研究人员对碲化镉（CdTe）晶体表面进行了压痕处理，以人为引入位错。

图1 (a)和(b)： 在压痕处理后的CdTe表面观察到的位错衬度。(a) SEM-CL图像，其中位错呈现为暗线衬度；(b) 为采集(a)图后，对同一区域进行化学腐蚀后获得的光学显微镜（OM）图像，清晰显示了位错腐蚀坑。

在图1(a)的SEM-CL图像中，从压痕中心向外辐射的暗色线条，正是位错的直接写照。它们所在的位置，发光被显著抑制。为了验证这一点，在完成CL观察后，研究人员对同一区域进行了化学腐蚀处理，再用传统的光学显微镜（OM）观察，得到了图1(b)。图中密集的腐蚀坑（etch pits）精确地对应了CL图像中的暗线，这为位错作为非辐射复合中心的理论提供了确凿的实验证据。这种结合观察的方式，极大地增强了缺陷认定的可靠性。

当然，物理世界总有例外。在某些特殊情况下，位错自身也可能成为发光源，这通常与位错核心或其周围应力场束缚的特定杂质或点缺陷有关。此时，在CL图像中它们将呈现出明亮的衬度。

SEM-CL技术的另一大优势在于其动态观察能力。通过采用电视扫描（TV scanning）速率，可以实现对位错在应力或热场作用下动态行为的原位（in situ）观察，这对于理解材料的塑性形变和疲劳失效机制至关重要。

相比之下，虽然光学显微镜在位错密度足够低时也能得到类似的图像（如腐蚀坑法），但SEM-CL技术无疑在提供功能性信息（即缺陷的电学活性）和空间分辨率方面，拥有不可替代的优势。要获得一张信噪比高、结果可靠的CL图谱，对样品制备、设备参数配置都有极高要求。这正是专业检测实验室的核心价值所在。

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