北大物理学院团队联合多机构在氮化镓外延薄膜位错研究上取得重大突破

近日，北京大学物理学院传来振奋人心的消息。由杨学林、沈波教授领衔的团队，联合宽禁带半导体研究中心等多个科研机构，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了重大突破。这一成果不仅加深了对氮化镓材料中位错运动机制的理解，更为未来氮化镓基材料和器件的性能优化开辟了新途径。

据悉，相关研究成果已于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，在线发表于国际权威期刊《物理评论快报》（Physical Review Letters）上。

氮化镓作为宽禁带半导体的代表，在光电子、射频电子和功率电子等领域具有巨大的应用潜力，是国际半导体研究的热点。然而，当前主流的异质衬底外延制备方法会在氮化镓材料中引入大量位错缺陷，这些位错缺陷严重制约了氮化镓基材料和器件性能的提升。因此，理解并调控氮化镓中位错的运动规律，成为半导体领域的关键科学问题。

杨学林、沈波团队针对这一难题，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。他们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，成功观测到了单根位错线的原子级攀移过程。研究发现，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，这一发现为理解氮化镓中位错攀移的原子级机制提供了重要依据。


氮化镓中混合位错的原子尺度攀移过程
图源：“北大物理人”官微   

此外，北京计算科学研究中心的黄兵团队通过模拟计算，明确了位错割阶的原子和电子结构，提出了“费米能级调控割阶形成”的新机制，为理解掺杂对氮化镓位错攀移的影响提供了全新视角。这一机制的提出，为进一步优化氮化镓材料的性能提供了新的理论支持。


掺杂调控割阶形成及攀移实验结果及示意图
图源：“北大物理人”官微

此次研究不仅取得了重要的科学突破，更展示了北大科研团队在半导体材料研究领域的深厚实力和创新能力。杨学林、沈波团队表示，他们将继续基于此次成果，进一步探索位错运动对氮化镓基器件性能的具体影响，致力于开发出更有效的位错调控技术，以实现氮化镓基器件性能的大幅提升。同时，他们计划与更多产业界伙伴合作，加速研究成果的产业化应用进程，为推动宽禁带半导体技术在多领域的广泛应用贡献力量。