半導體新發現：氮化鎵晶體缺陷的罪魁禍首可能是氮

這張圖片顯示了每個原子的應力分布（A），以及纖鋅礦GaN中方向上的位錯（B）。來源：塞薩洛尼基亞里士多德大學物理系

未來半導體技術的提升，除了進一步榨取摩爾定律在製造工藝上最後一點「剩餘價值」外，尋找硅（Si）以外新一代的半導體材料，也就成了一個重要方向。在這個過程中，氮化鎵（GaN）近年來作為一個高頻辭彙，進入了人們的視野。

隨著硅基半導體逐漸達到其性能極限，氮化鎵（GaN）正成為推動發光二極體（LED）技術、高頻晶體管和光伏器件的下一代潛在材料。GaN屬於第三代高大禁帶寬度的半導體材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前輩相比，其在特性上優勢突出，然而由於異質外延存在晶格失配，氮化鎵晶體有著明顯的缺陷，阻礙了相關技術的發展。

這種材料退化是由於原子在晶格結構中發生位移時形成了位錯。當多個位錯同時從剪切力中移動時，沿晶格平面的鍵拉伸最終導致斷裂。當原子重新排列，改變了它們原有的鍵時，一些晶格保持完整，而另一些則永久變形，這其中只有一半的平面就位。如果剪切力足夠大，位錯將沿著材料知道邊緣才能終止。

在不同材料的襯底上沉積GaN使問題變得更加糟糕，因為晶格結構通常對不齊。這就是為什麼加深對原子水平上形成GaN缺陷的理解，可以提高使用這種材料製成的器件的性能。

現在，一組研究人員通過研究確定了GaN晶格的六個核心構型，他們朝著這個目標邁出了重要的一步。在《應用物理學雜誌》上，他們發表了研究結果。

「我們的目標是識別、處理和表徵這些位錯，以此來充分了解GaN缺陷的影響，以便我們找到具體的方法來優化這種材料，」塞薩洛尼基亞里士多德大學的研究者Joseph Kioseoglou和該論文的作者這麼說道。

還有一些問題是GaN內在的性質，導致了不必要的影響，如顏色轉移的發射GaN基LED。據Kioseoglou說，這可能通過開發不同的發展方向來解決這個問題。

研究人員利用分子動力學和密度泛函理論模擬計算，確定了GaN中A型基底邊緣位錯沿方向的結構和電子性質。沿著這一方向的位錯在半極性生長方向中非常常見。

這項研究是基於不同核心配置的三個模型。第一個由三個氮原子和一個鎵（Ga）原子組成的極性鎵；第二個原子具有四個氮原子和兩個鎵原子，第三個包含兩個氮原子和兩個鎵核關聯原子。使用大約15,000個原子，對每種配置進行分子動力學計算。

最終，研究人員發現，與Ga極性結構相比，N極性結構在帶隙中表現出更多的狀態，N極性結構呈現出了更小的帶隙值。

Kioseoglou說：「更小的帶隙值和它們內部的狀態之間有聯繫。」這些發現潛在地證明氮在GaN基器件中，是作為位錯相關效應的主要貢獻者。

文章來自phys，原文題目為：The culprit of some GaN defects could be nitrogen，由材料科技在線匯總整理

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