近日，北京大學(xué)物理學(xué)院楊學(xué)林、沈波團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合寬禁帶半導(dǎo)體研究中心等多個(gè)科研機(jī)構(gòu)，在氮化鎵外延薄膜中位錯(cuò)的原子級(jí)攀移動(dòng)力學(xué)研究上取得重大突破。 

據(jù)悉，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。 

source：APS官網(wǎng)截圖 

氮化鎵作為寬禁帶半導(dǎo)體的代表，在光電子、射頻電子和功率電子領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，是國(guó)際半導(dǎo)體研究的熱點(diǎn)。然而，當(dāng)前主流的異質(zhì)襯底外延制備方法，會(huì)在氮化鎵材料中引入大量位錯(cuò)缺陷，嚴(yán)重影響材料和器件性能。因此，理解并調(diào)控氮化鎵中位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，成為半導(dǎo)體領(lǐng)域的關(guān)鍵科學(xué)問(wèn)題。 

據(jù)介紹，晶體中的位錯(cuò)有滑移和攀移兩種運(yùn)動(dòng)方式。在立方結(jié)構(gòu)的硅材料中，位錯(cuò)滑移研究已較為深入，有效推動(dòng)了半導(dǎo)體集成電路發(fā)展。但在六方結(jié)構(gòu)的氮化鎵中，位錯(cuò)主要以攀移方式運(yùn)動(dòng)，且原子級(jí)的運(yùn)動(dòng)機(jī)制尚不清楚。傳統(tǒng)電鏡技術(shù)難以捕捉位錯(cuò)的原子尺度動(dòng)態(tài)過(guò)程，這給研究帶來(lái)了極大挑戰(zhàn)。 

針對(duì)這一難題，北大團(tuán)隊(duì)采用掃描透射電子顯微鏡（STEM）的深度切片技術(shù)，巧妙設(shè)計(jì)外延結(jié)構(gòu)，精確匹配位錯(cuò)攀移傾角與STEM的深度分辨率，首次成功觀測(cè)到單根位錯(cuò)線的原子級(jí)攀移過(guò)程。研究發(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。 

北京計(jì)算科學(xué)研究中心黃兵團(tuán)隊(duì)通過(guò)模擬計(jì)算，明確了位錯(cuò)割階的原子和電子結(jié)構(gòu)，提出“費(fèi)米能級(jí)調(diào)控割階形成”的新機(jī)制，為理解摻雜對(duì)氮化鎵位錯(cuò)攀移的影響提供了全新視角。 

氮化鎵中混合位錯(cuò)的原子尺度攀移過(guò)程
source：“北大物理人”官微   

摻雜調(diào)控割階形成及攀移實(shí)驗(yàn)結(jié)果及示意圖 
source：“北大物理人”官微 

該論文的共同第一作者為北大物理學(xué)院博士研究生楊涵和北京計(jì)算科學(xué)研究中心博士研究生韓相如，共同通訊作者為北大楊學(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和北大沈波教授。研究得到了科技部、國(guó)家自然科學(xué)基金等多方支持。 

這一成果不僅加深了對(duì)氮化鎵位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的原子級(jí)理解，更為未來(lái)氮化鎵基材料和器件的性能優(yōu)化開辟了新途徑，有望推動(dòng)寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)在多領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。 

據(jù)北大研究團(tuán)隊(duì)表示，接下來(lái)將基于此次成果，進(jìn)一步探索位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)對(duì)氮化鎵基器件性能的具體影響，致力于開發(fā)出更有效的位錯(cuò)調(diào)控技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)氮化鎵基器件性能的大幅提升。同時(shí)，團(tuán)隊(duì)也計(jì)劃與更多產(chǎn)業(yè)界伙伴合作，加速研究成果的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用進(jìn)程。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)對(duì)氮化鎵技術(shù)的研發(fā)投入持續(xù)增加，眾多科研機(jī)構(gòu)和企業(yè)紛紛布局該領(lǐng)域。除了北大團(tuán)隊(duì)的這一突破，像南京集芯光電技術(shù)研究院有限公司以及中科芯（蘇州）微電子科技有限公司此前也取得了重要進(jìn)展。 

2025年1月29日，中科芯（蘇州）微電子科技有限公司申請(qǐng) “提高氮化鎵晶體管可靠性的制備方法及系統(tǒng)” 專利。 

該方法使用預(yù)處理的藍(lán)寶石襯底，在金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積設(shè)備中進(jìn)行氮化鎵外延生長(zhǎng)，生長(zhǎng)時(shí)利用交替脈沖供給技術(shù)引入微量鐵摻雜降低背景載流子濃度，通過(guò)先進(jìn)光刻、等離子體刻蝕技術(shù)制造源極、漏極和柵極結(jié)構(gòu)，采用原子層沉積技術(shù)沉積氧化鉿作為柵介質(zhì)層，再用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積技術(shù)完成結(jié)構(gòu)建立，最后激光退火工藝結(jié)合氮?dú)夥諊w界面缺陷、降低漏電流，提升產(chǎn)品可靠性和穩(wěn)定性。

2025年2月初，南京集芯光電技術(shù)研究院有限公司獲 “一種氮化鎵晶圓的腐蝕裝置” 專利（申請(qǐng)日期2024年4月，授權(quán)公告號(hào)為 CN222421899U）。 

該裝置由外槽體和可密封上內(nèi)槽體構(gòu)成，劃分出腐蝕區(qū)和清洗區(qū)，通過(guò)第一電機(jī)與齒輪實(shí)現(xiàn)晶圓上下運(yùn)動(dòng)，利用第二電機(jī)及螺紋結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)清洗后轉(zhuǎn)移，提升了晶圓與腐蝕液體接觸均勻性，簡(jiǎn)化操作流程，提高工作效率。