北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所、寬禁帶半導體研究中心、人工微結構和介觀物理國家重點實驗室、納光電子前沿科學中心楊學林、沈波團隊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重要進展。相關成果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《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。

以氮化鎵為代表的氮化物寬禁帶半導體在光電子、射頻電子和功率電子等領域具有重大應用價值，是國際上半導體科學研究的重要方向和高科技競爭的關鍵領域之一。基于硅、藍寶石等異質襯底的大失配外延是氮化鎵制備的主流方法，由此導致的高密度位錯缺陷嚴重制約著氮化鎵基材料和器件性能的提升和應用推廣，理解氮化鎵中位錯運動演變的動力學規律并對其進行有效調控具有重要的科學意義和應用價值。

晶體材料中的位錯具有滑移和攀移兩種基本運動方式。由于半導體材料的強共價鍵特性，位錯在半導體中運動主要依賴于位錯芯結構的演化，因此要理解半導體材料中位錯運動演變的動力學規律，就必須在原子尺度上研究位錯的基本運動過程。在立方結構的半導體硅材料中，位錯滑移主要發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的深入研究，最終實現了對位錯的有效控制，成功獲得了迄今所有人工晶體中質量最高的硅單晶材料，極大的推動了半導體集成電路技術和產業的發展。而在六方結構的氮化鎵外延生長過程中，位錯主要以攀移方式運動，但至今仍然缺乏對位錯攀移運動的原子級表征和理解。常規的電鏡技術只能獲得晶體中靜態的位錯二維投影圖像，要觀測到位錯的原子尺度運動過程依然面臨巨大挑戰。

針對上述關鍵科學問題和應用需求，北京大學楊學林、沈波團隊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。通過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調控位錯攀移傾角，使其與STEM的深度分辨率精準匹配，成功捕捉到了單根位錯線的原子級攀移過程，并發現混合位錯中的5環不全位錯以“5-9”原子環循環交替的方式進行攀移。在此基礎上，合作單位北京計算科學研究中心黃兵團隊利用模擬計算確認了位錯割階的原子結構和電子結構，并提出了“費米能級調控割階形成”的新機制，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. 摻雜調控割階形成及攀移實驗結果及示意圖

北京大學物理學院博士研究生楊涵、北京計算科學研究中心博士研究生韓相如為該論文共同第一作者，北京大學楊學林教授級高級工程師、北京計算科學研究中心黃兵研究員、北京大學沈波教授為共同通訊作者。該工作得到了北京大學葛惟昆教授的指導和幫助，北京大學寬禁帶半導體研究中心鞠光旭、許福軍、唐寧、王新強、于彤軍等老師和部分博士生亦對該工作做出了貢獻。

該研究工作得到了科技部國家重點研發計劃、2030新材料國家重大專項、國家自然科學基金、國家安全學術基金（NSAF聯合基金）、北京大學電子顯微鏡實驗室以及部分企業的大力支持。

論文原文鏈接

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.056102

來源： 北京大學物理學院凝聚態物理與材料物理研究所