2. GaN晶体结构与缺陷类型
要理解GaN外延中的应力与缺陷工程，第一步必须把“缺陷”从模糊的坏东西，变成有明确几何定义、有明确成因、有明确表征手段的对象。GaN在常规外延条件下稳定相是纤锌矿结构（wurtzite，空间群P6₃mc），它属于六方晶系，可以看成两套六方密排（hcp）子晶格沿c轴相互错开套构：Ga原子构成一套，N原子构成另一套，沿[0001]方向偏移约0.375c。其晶格常数为a≈0.3189 nm、c≈0.5185 nm，理想c/a≈1.633，而GaN实测c/a≈1.626，说明它并非理想密排，本身已带有一定的内部畸变倾向。这一结构决定了GaN的极性、滑移系、层错类型以及缺陷的行为方式。
极性面与非极性面：缺陷行为的“方向前提”
纤锌矿结构沿c轴没有反演对称中心，因此[0001]与[0001̅]不等价，这是GaN最关键的晶体学特征。沿c轴看，(0001)面是Ga极性面，表面终止于Ga原子；(0001̅)面是N极性面，表面终止于N原子。二者在表面能、吸附行为、杂质并入、位错攀移和裂纹扩展上差异显著。例如MOCVD生长中，Ga极性面通常更易获得光滑表面，而N极性面常出现六角丘状形貌。除c面外，非极性面如(101̅0)（m面）和(112̅0)（a面）以及半极性面如(101̅1)、(112̅2)也常被研究，它们没有沿法向的自发极化，但存在面内极化各向异性，会影响量子阱的发光波长与缺陷分布。因此，讨论任何缺陷前，先明确它位于哪个晶面、沿哪个方向延伸，是后续分析的基本前提。
点缺陷：从空位到反位与杂质
点缺陷是零维缺陷，主要包括空位（VGa、VN）、反位（GaN、NGa）和间隙原子，以及杂质点缺陷（如SiGa、MgGa、CN、H相关复合体）。在GaN中，VN常被认为是浅施主来源之一，而VGa与CN常与黄带发光和半绝缘行为相关。点缺陷的浓度通常在1015～1019 cm−3量级，可通过低温光致发光（PL）、深能级瞬态谱（DLTS）、正电子湮没谱（PAS）和二次离子质谱（SIMS）进行表征。点缺陷本身尺寸小，但会通过钉扎位错、改变费米能级和参与扩散，间接影响外延层的应力松弛与电学性能。
位错：线缺陷与应力释放的主通道
位错是一维线缺陷，GaN中最常见的是刃位错、螺位错和混合位错。按Burgers矢量分类，主要有三类：a型位错（b=1/3⟨112̅0⟩，b=a，刃型为主）、c型位错（b=⟨0001⟩，b=c，螺型为主）和a+c型位错（b=1/3⟨112̅3⟩，混合型）。位错密度是衡量GaN外延质量的核心指标：在蓝宝石或Si衬底上直接生长的GaN，位错密度常高达109～1010 cm−2；通过AlN/AlGaN缓冲层、图形化衬底或侧向外延（ELO）可降至107～108 cm−2。位错既是非辐射复合中心，也是应力释放的通道，其攀移和滑移会直接影响外延层的裂纹与翘曲。表征上，截面/平面透射电子显微镜（TEM）可给出位错类型与Burgers矢量，X射线衍射（XRD）摇摆曲线的半高宽可间接反映位错密度，阴极荧光（CL）和电子束诱生电流（EBIC）则能显示位错周围的暗斑。
层错与堆垛层错：二维面缺陷
层错是二维面缺陷，本质是密排面堆垛顺序发生错误。理想纤锌矿沿c轴堆垛顺序为ABABAB…，若局部出现ABCABC…（立方闪锌矿顺序）或其它错排，就形成堆垛层错。常见类型包括本征层错（I₁、I₂型）、外征层错（E型）和孪晶界。在GaN中，基面层错（basal plane stacking fault）常沿(0001)面扩展，而棱柱面层错则沿{101̅0}面。层错能较低时，位错容易分解为部分位错并拖出层错带，因此层错常与位错伴生。表征层错最直接的手段是高分辨透射电子显微镜（HRTEM）和扫描透射电子显微镜（STEM），可看到原子级堆垛序列；XRD的(h0l)面摇摆曲线和拉曼光谱的E₂(high)峰位移也能间接反映层错密度。
反相畴界：极性反转形成的面缺陷
反相畴界（antiphase domain boundary，APB）是GaN中一种特殊面缺陷，出现在同一外延层内不同区域极性相反时。例如在Si衬底上生长GaN，若界面处形成SiNx或AlN成核层不均匀，局部区域可能从N极性开始生长，与周围Ga极性区域相遇，交界处即为APB。APB处存在悬挂键和电荷，会形成势垒，影响载流子输运，并在化学腐蚀中表现出选择性腐蚀速率差异。表征APB常用截面TEM结合会聚束电子衍射（CBED）判断极性，或用湿法化学腐蚀（如KOH/NaOH熔融碱）显示极性差异形成的六角腐蚀坑。
裂纹与表面缺陷：宏观失效与形貌异常
裂纹是宏观尺度缺陷，通常由热失配和晶格失配引起的张应力超过临界值时产生。GaN在Si衬底上生长时，冷却过程中Si的热膨胀系数大于GaN，GaN层受张应力，裂纹常沿(0001)基面或{101̅0}棱柱面扩展，形成平行或网状裂纹。表面缺陷则包括坑（pit）、丘（hillock）、六角锥、台阶聚束和颗粒污染。其中，位错在表面常终止为六角坑，可通过原子力显微镜（AFM）统计坑密度来估算位错密度；扫描电子显微镜（SEM）和光学显微镜用于观察裂纹走向与表面宏观形貌；Nomarski微分干涉相衬显微镜则适合观察台阶与微丘。
缺陷表征的实践要点
在实际外延研发中，缺陷表征通常遵循“先宏观后微观、先无损后有损”的顺序。第一步用光学显微镜和Nomarski观察表面裂纹、坑密度和台阶形貌，快速判断外延层是否宏观开裂；第二步用AFM在5×5 μm²或10×10 μm²范围内统计六角坑密度，若坑密度约等于位错密度，可初步估算位错量级；第三步用XRD测量(0002)和(101̅2)面摇摆曲线，前者主要反映螺位错和c型位错，后者主要反映刃位错和a型位错，通过半高宽可半定量比较不同样品；第四步对关键样品做截面TEM，直接观察位错类型、层错带和APB位置。需要强调的是，XRD半高宽受层厚、组分梯度和仪器展宽影响，不能单独作为位错密度的绝对定量依据，必须与TEM或CL交叉验证。