北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所、寬禁帶半導(dǎo)體研究中心、人工微結(jié)構(gòu)和介觀物理國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、納光電子前沿科學(xué)中心楊學(xué)林、沈波團(tuán)隊(duì)在氮化鎵外延薄膜中位錯的原子級攀移動力學(xué)研究上取得重要進(jìn)展。相關(guān)成果2025年2月5日以“從原子尺度上理解氮化物半導(dǎo)體中的位錯攀移：不對稱割階的影響”（Atomistic Understanding of Dislocation Climb in Nitride Semiconductors: Role of Asymmetric Jogs）為題在線發(fā)表于《物理評論快報(bào)》（Physical Review Letters）上。
以氮化鎵為代表的氮化物寬禁帶半導(dǎo)體在光電子、射頻電子和功率電子等領(lǐng)域具有重大應(yīng)用價(jià)值，是國際上半導(dǎo)體科學(xué)研究的重要方向和高科技競爭的關(guān)鍵領(lǐng)域之一?；诠琛⑺{(lán)寶石等異質(zhì)襯底的大失配外延是氮化鎵制備的主流方法，由此導(dǎo)致的高密度位錯缺陷嚴(yán)重制約著氮化鎵基材料和器件性能的提升和應(yīng)用推廣，理解氮化鎵中位錯運(yùn)動演變的動力學(xué)規(guī)律并對其進(jìn)行有效調(diào)控具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用價(jià)值。
晶體材料中的位錯具有滑移和攀移兩種基本運(yùn)動方式。由于半導(dǎo)體材料的強(qiáng)共價(jià)鍵特性，位錯在半導(dǎo)體中運(yùn)動主要依賴于位錯芯結(jié)構(gòu)的演化，因此要理解半導(dǎo)體材料中位錯運(yùn)動演變的動力學(xué)規(guī)律，就必須在原子尺度上研究位錯的基本運(yùn)動過程。在立方結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體硅材料中，位錯滑移主要發(fā)生在晶體生長和加工過程中，通過人們對于原子級位錯滑移動力學(xué)的深入研究，最終實(shí)現(xiàn)了對位錯的有效控制，成功獲得了迄今所有人工晶體中質(zhì)量最高的硅單晶材料，極大的推動了半導(dǎo)體集成電路技術(shù)和產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。而在六方結(jié)構(gòu)的氮化鎵外延生長過程中，位錯主要以攀移方式運(yùn)動，但至今仍然缺乏對位錯攀移運(yùn)動的原子級表征和理解。常規(guī)的電鏡技術(shù)只能獲得晶體中靜態(tài)的位錯二維投影圖像，要觀測到位錯的原子尺度運(yùn)動過程依然面臨巨大挑戰(zhàn)。
針對上述關(guān)鍵科學(xué)問題和應(yīng)用需求，北京大學(xué)楊學(xué)林、沈波團(tuán)隊(duì)對氮化鎵外延薄膜中位錯的原子尺度攀移過程進(jìn)行了深入研究。通過采用掃描透射電子顯微鏡(STEM)的深度切片技術(shù)，結(jié)合精心設(shè)計(jì)的外延結(jié)構(gòu)調(diào)控位錯攀移傾角，使其與STEM的深度分辨率精準(zhǔn)匹配，成功捕捉到了單根位錯線的原子級攀移過程，并發(fā)現(xiàn)混合位錯中的5環(huán)不全位錯以“5-9”原子環(huán)循環(huán)交替的方式進(jìn)行攀移。在此基礎(chǔ)上，合作單位北京計(jì)算科學(xué)研究中心黃兵團(tuán)隊(duì)利用模擬計(jì)算確認(rèn)了位錯割階的原子結(jié)構(gòu)和電子結(jié)構(gòu)，并提出了“費(fèi)米能級調(diào)控割階形成”的新機(jī)制，為“摻雜如何影響位錯攀移”這一問題的理解提供了全新的物理視角。
圖1. 氮化鎵中混合位錯的原子尺度攀移過程
圖2. 摻雜調(diào)控割階形成及攀移實(shí)驗(yàn)結(jié)果及示意圖
北京大學(xué)物理學(xué)院博士研究生楊涵、北京計(jì)算科學(xué)研究中心博士研究生韓相如為該論文共同第一作者，北京大學(xué)楊學(xué)林教授級高級工程師、北京計(jì)算科學(xué)研究中心黃兵研究員、北京大學(xué)沈波教授為共同通訊作者。該工作得到了北京大學(xué)葛惟昆教授的指導(dǎo)和幫助，北京大學(xué)寬禁帶半導(dǎo)體研究中心鞠光旭、許福軍、唐寧、王新強(qiáng)、于彤軍等老師和部分博士生亦對該工作做出了貢獻(xiàn)。
該研究工作得到了科技部國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、2030新材料國家重大專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金、國家安全學(xué)術(shù)基金（NSAF聯(lián)合基金）、北京大學(xué)電子顯微鏡實(shí)驗(yàn)室以及部分企業(yè)的大力支持。
論文原文鏈接
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.056102
來源： 北京大學(xué)物理學(xué)院凝聚態(tài)物理與材料物理研究所
