半導體新發(fā)現(xiàn)：氮化鎵晶體缺陷的罪魁禍首

深入理解GaN缺陷在原子級形成的原因能夠改善GaN材料器件的性能。希臘塞薩洛尼基亞里士多德大學物理系的研究人員通過檢測和確定GaN晶格的六個核心配置，朝著這一目標邁出了重要的一步。他們在《應用物理》雜志上發(fā)表了他們的研究結(jié)果。

研究背景

隨著硅基半導體達到其性能極限，氮化鎵（GaN）正成為推動發(fā)光二極管（LED）技術、高頻晶體管和光伏器件的下一代材料。然而，阻礙GaN發(fā)展的是其體內(nèi)存在的大量缺陷。

這種材料缺陷是由位錯導致的，即原子在晶格結(jié)構(gòu)中發(fā)生位移。當多個位錯同時在剪切力作用下移動時，沿著晶格平面的鍵會拉伸并最終破裂。當原子重新排列以改變它們的鍵時，一些平面保持完整而另一些則永久變形，只有一半平面恢復位置。如果剪切力足夠大，則位錯將最終伸展到材料的邊緣。

在不同材料的襯底上生長的GaN使得問題更加嚴重，因為晶格結(jié)構(gòu)通常不匹配。所以深入理解GaN缺陷在原子級形成的原因能夠改善GaN材料器件的性能。

Joseph Kioseoglou研究員說，“我們的目標是識別、處理和表征這些錯位，以充分理解GaN中缺陷的影響，從而找到優(yōu)化這種材料的具體方法。當然，還存在一些GaN本質(zhì)固有的問題，這些問題導致諸如GaN基LED發(fā)光中的顏色偏移之類的不期望的效應，可以通過不同的材料增長方向來解決?！?/p>

位錯模擬分析

研究人員通過分子動力學和密度泛函理論模擬使用計算分析來確定GaN中沿<1-100>方向的a型邊緣位錯的結(jié)構(gòu)和電子特性。沿著這個方向的位錯在半極性生長方向上很常見。

圖該圖像描繪了纖鋅礦結(jié)構(gòu)GaN中沿<1-100>方向的a-邊緣位錯的每個原子（a）和（b）的應力分布。

該研究基于具有不同核心配置的三種模型。第一個由Ga極性的三個氮（N）原子和一個鎵（Ga）原子組成;第二個由四個N原子和兩個Ga原子;第三個包含兩個N原子和兩個Ga核相關原子。對于每種構(gòu)型，使用大約15,000個原子進行分子動力學計算。

研究結(jié)果

研究人員發(fā)現(xiàn)，與Ga極性相比，N極配置在帶隙中表現(xiàn)出明顯更多的狀態(tài)，其中N極配置呈現(xiàn)更小的帶隙值。

Kioseoglou說，“較小的帶隙值與其內(nèi)部的大量狀態(tài)之間存在聯(lián)系，這些發(fā)現(xiàn)可能證明了N作為GaN基器件中與位錯有關的影響的主要原因?！?/p>