原创成果 | 杨学林、沈波团队在氮化镓外延材料中位错的原子级攀移动力学研究上取得重要进展

 2025-2-10 10:55  35 0 分类: 工业电子

北京大学物理学院凝聚态物理与材料物理研究所、宽禁带半导体研究中心、人工微结构和介观物理国家重点实验室、纳光电子前沿科学中心杨学林、沈波团队在氮化镓外延薄膜中位错的原子级攀移动力学研究上取得重要进展。相关成果2025年2月5日以“从原子尺度上理解氮化物半导体中的位错攀移：不对称割阶的影响”（Atomistic Understanding of Dislocation Climb in Nitride Semiconductors: Role of Asymmetric Jogs）为题在线发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

以氮化镓为代表的氮化物宽禁带半导体在光电子、射频电子和功率电子等领域具有重大应用价值，是国际上半导体科学研究的重要方向和高科技竞争的关键领域之一。基于硅、蓝宝石等异质衬底的大失配外延是氮化镓制备的主流方法，由此导致的高密度位错缺陷严重制约着氮化镓基材料和器件性能的提升和应用推广，理解氮化镓中位错运动演变的动力学规律并对其进行有效调控具有重要的科学意义和应用价值。

晶体材料中的位错具有滑移和攀移两种基本运动方式。由于半导体材料的强共价键特性，位错在半导体中运动主要依赖于位错芯结构的演化，因此要理解半导体材料中位错运动演变的动力学规律，就必须在原子尺度上研究位错的基本运动过程。在立方结构的半导体硅材料中，位错滑移主要发生在晶体生长和加工过程中，通过人们对于原子级位错滑移动力学的深入研究，最终实现了对位错的有效控制，成功获得了迄今所有人工晶体中质量最高的硅单晶材料，极大的推动了半导体集成电路技术和产业的发展。而在六方结构的氮化镓外延生长过程中，位错主要以攀移方式运动，但至今仍然缺乏对位错攀移运动的原子级表征和理解。常规的电镜技术只能获得晶体中静态的位错二维投影图像，要观测到位错的原子尺度运动过程依然面临巨大挑战。

针对上述关键科学问题和应用需求，北京大学杨学林、沈波团队对氮化镓外延薄膜中位错的原子尺度攀移过程进行了深入研究。通过采用扫描透射电子显微镜(STEM)的深度切片技术，结合精心设计的外延结构调控位错攀移倾角，使其与STEM的深度分辨率精准匹配，成功捕捉到了单根位错线的原子级攀移过程，并发现混合位错中的5环不全位错以“5-9”原子环循环交替的方式进行攀移。在此基础上，合作单位北京计算科学研究中心黄兵团队利用模拟计算确认了位错割阶的原子结构和电子结构，并提出了“费米能级调控割阶形成”的新机制，为“掺杂如何影响位错攀移”这一问题的理解提供了全新的物理视角。

图1. 氮化镓中混合位错的原子尺度攀移过程

图2. 掺杂调控割阶形成及攀移实验结果及示意图

北京大学物理学院博士研究生杨涵、北京计算科学研究中心博士研究生韩相如为该论文共同第一作者，北京大学杨学林教授级高级工程师、北京计算科学研究中心黄兵研究员、北京大学沈波教授为共同通讯作者。该工作得到了北京大学葛惟昆教授的指导和帮助，北京大学宽禁带半导体研究中心鞠光旭、许福军、唐宁、王新强、于彤军等老师和部分博士生亦对该工作做出了贡献。

该研究工作得到了科技部国家重点研发计划、2030新材料国家重大专项、国家自然科学基金、国家安全学术基金（NSAF联合基金）、北京大学电子显微镜实验室以及部分企业的大力支持。