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近日，北京大學物理學院傳來振奮人心的消息。由楊學林、沈波教授領銜的團隊，聯合寬禁帶半導體研究中心等多個科研機構，在氮化鎵外延薄膜中位錯的原子級攀移動力學研究上取得了重大突破。這一成果不僅加深了對氮化鎵材料中位錯運動機制的理解，更為未來氮化鎵基材料和器件的性能優化開辟了新途徑。 據悉，相關研究成果已于2025年2月5日以“從原子尺度上理解氮化物半導體中的位錯攀移：不對稱割階的影響”（Atomistic Understanding of Dislocation Climb in Nitride Semiconductors: Role of Asymmetric Jogs）為題，在線發表于國際權威期刊《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。 氮化鎵作為寬禁帶半導體的代表，在光電子、射頻電子和功率電子等領域具有巨大的應用潛力，是國際半導體研究的熱點。然而，當前主流的異質襯底外延制備方法會在氮化鎵材料中引入大量位錯缺陷，這些位錯缺陷嚴重制約了氮化鎵基材料和器件性能的提升。因此，理解并調控氮化鎵中位錯的運動規律，成為半導體領域的關鍵科學問題。 楊學林、沈波團隊針對這一難題，對氮化鎵外延薄膜中位錯的原子尺度攀移過程進行了深入研究。他們采用掃描透射電子顯微鏡（STEM）的深度切片技術，結合精心設計的外延結構，成功觀測到了單根位錯線的原子級攀移過程。研究發現，混合位錯中的5環不全位錯以“5-9”原子環循環交替的方式進行攀移，這一發現為理解氮化鎵中位錯攀移的原子級機制提供了重要依據。 
氮化鎵中混合位錯的原子尺度攀移過程 圖源：“北大物理人”官微 此外，北京計算科學研究中心的黃兵團隊通過模擬計算，明確了位錯割階的原子和電子結構，提出了“費米能級調控割階形成”的新機制，為理解摻雜對氮化鎵位錯攀移的影響提供了全新視角。這一機制的提出，為進一步優化氮化鎵材料的性能提供了新的理論支持。
摻雜調控割階形成及攀移實驗結果及示意圖 圖源：“北大物理人”官微 此次研究不僅取得了重要的科學突破，更展示了北大科研團隊在半導體材料研究領域的深厚實力和創新能力。楊學林、沈波團隊表示，他們將繼續基于此次成果，進一步探索位錯運動對氮化鎵基器件性能的具體影響，致力于開發出更有效的位錯調控技術，以實現氮化鎵基器件性能的大幅提升。同時，他們計劃與更多產業界伙伴合作，加速研究成果的產業化應用進程，為推動寬禁帶半導體技術在多領域的廣泛應用貢獻力量。 |
