?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(guó)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(cuò)的原子級(jí)攀移動(dòng)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(cuò)攀移：不對(duì)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(píng)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(guó)際上半導(dǎo)體科學(xué)研究的重要方向和高科技競(jìng)爭(zhēng)的關(guān)鍵領(lǐng)域之一。基于硅、藍(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(cuò)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(cuò)運(yùn)動(dòng)演變的動(dòng)力學(xué)規(guī)律并對(duì)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(cuò)具有滑移和攀移兩種基本運(yùn)動(dòng)方式。由于半導(dǎo)體材料的強(qiáng)共價(jià)鍵特性，位錯(cuò)在半導(dǎo)體中運(yùn)動(dòng)主要依賴于位錯(cuò)芯結(jié)構(gòu)的演化，因此要理解半導(dǎo)體材料中位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)演變的動(dòng)力學(xué)規(guī)律，就必須在原子尺度上研究位錯(cuò)的基本運(yùn)動(dòng)過(guò)程。在立方結(jié)構(gòu)的半導(dǎo)體硅材料中，位錯(cuò)滑移主要發(fā)生在晶體生長(zhǎng)和加工過(guò)程中，通過(guò)人們對(duì)于原子級(jí)位錯(cuò)滑移動(dòng)力學(xué)的深入研究，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)位錯(cuò)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(dòng)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(zhǎng)過(guò)程中，位錯(cuò)主要以攀移方式運(yùn)動(dòng)，但至今仍然缺乏對(duì)位錯(cuò)攀移運(yùn)動(dòng)的原子級(jí)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(cuò)二維投影圖像，要觀測(cè)到位錯(cuò)的原子尺度運(yùn)動(dòng)過(guò)程依然面臨巨大挑戰(zhàn)。

針對(duì)上述關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題和應(yīng)用需求，北京大學(xué)楊學(xué)林、沈波團(tuán)隊(duì)對(duì)氮化鎵外延薄膜中位錯(cuò)的原子尺度攀移過(guò)程進(jìn)行了深入研究。通過(guò)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(cuò)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(cuò)線的原子級(jí)攀移過(guò)程，并發(fā)現(xiàn)混合位錯(cuò)中的5環(huán)不全位錯(cuò)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(cuò)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(jí)調(diào)控割階形成”的新機(jī)制，為“摻雜如何影響位錯(cuò)攀移”這一問(wèn)題的理解提供了全新的物理視角。

圖1. 氮化鎵中混合位錯(cuò)的原子尺度攀移過(guò)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(jí)高級(jí)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(duì)該工作做出了貢獻(xiàn)。

該研究工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、2030新材料國(guó)家重大專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)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

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來(lái)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