氮化镓(GaN)外延层中位错辅助电子与空穴传输的机制解析与器件性能优化

本研究针对氮化镓(GaN)半导体中位错对载流子传输的复杂影响机制，通过实验首次揭示了螺位错(TSD)和刃位错(TED)分别主导电子与空穴传输的物理机制。研究人员结合低温光致发光谱、导电原子力显微镜和第一性原理计算，发现TSD通过形成浅能级(ETSD)和-1eV势阱促进电子泄漏，而TED通过0.2eV空穴陷阱(ETED)与碳掺杂缓冲层相互作用缓解动态导通电阻(RON)退化。该成果为GaN功率器件的缺陷工程提供了关键理论依据，发表于《Nature Communications》。

　　

在半导体材料领域，氮化镓(GaN)因其宽禁带特性成为高压高功率器件的理想选择，但异质外延生长产生的高密度位错(10⁶-10¹⁰ cm^-2)长期困扰着器件性能。这些晶体缺陷如同"双刃剑"：既可能作为散射中心阻碍载流子迁移，又可能通过带电核心形成导电通道。尤其令人困惑的是，不同位错类型对电子和空穴的传输表现出截然不同的影响，这一机制数十年来始终未能阐明，严重制约了GaN功率器件的可靠性设计。

中国科学院半导体研究所的研究人员通过创新性的位错调控策略，在蓝宝石衬底上分别制备了以螺位错(TSD)和刃位错(TED)为主导的GaN外延层。研究发现TSD会形成独特的"纳米管道"结构：通过镓悬键(Ga DB)和Ga-N偶极子产生纵向连接的浅能级(E_TSD，47.97 meV)，配合-1eV的横向势阱(φ_TSD)，构成电子三维传输网络。而TED则通过镓空位引入0.2eV的空穴陷阱(E_TED)，与碳掺杂缓冲层中的C_N缺陷形成补偿机制，有效抑制了动态R_ON退化。该成果发表于《Nature Communications》，为GaN器件的缺陷工程提供了全新思路。

研究团队采用多尺度表征技术：通过熔融KOH腐蚀结合原子力显微镜(AFM)区分TSD(β型蚀坑)和TED(α型蚀坑)；利用导电AFM证实TSD核心的漏电流(1.6 pA)远高于TED；采用2.86K低温光致发光谱(PL)首次识别出TSD诱导的3.483eV浅能级；结合深能级瞬态谱(DLTS)和等温电容瞬变技术(ICT)解析了空穴的三阶段发射机制；最终通过第一性原理计算揭示了Ga-N偶极子的原子级电荷分布特征。

Dislocation-type characterization in GaN epitaxy

通过选择性外延生长，研究人员在GaN成核层样品中获得TSD密度达4.2×10⁸ cm^-2的"TSD主导"样品，而在AlN成核层样品中获得TED密度达18×10⁸ cm^-2的"TED主导"样品。导电AFM显示TSD对应的β型蚀坑产生1.6 pA漏电流，而TED蚀坑的电流低于检测限(0.4 pA)。

Dynamic on-resistance of dislocation-engineered HEMTs

制备的600V级高电子迁移率晶体管(HEMT)测试表明，TSD主导器件在高偏压下的动态R_ON退化更显著，而TED主导器件由于空穴补偿效应表现出更好的稳定性。

PL identification of dislocation-induced states

低温PL首次观测到TSD诱导的3.483eV发射峰(结合能38-46 meV)，其超线性功率依赖(I~P^1.4)表明非孪生复合机制；TED则在3.30eV处呈现亚线性DAP复合特征，热淬灭分析确认其位于价带顶上方0.2eV。

Theoretical analysis of the open-core TSDs of GaN

第一性原理计算揭示TSD侧壁存在Ga-N垂直偶极子和水平偶极子构成的电荷传输网络，形成深度1eV的势阱和47.97 meV的浅能级，与实验结果高度吻合。

DLTS characterization of dislocation-related traps

DLTS检测到TSD相关的电子陷阱E_e(1eV)和TED相关的空穴陷阱E_h(0.67-0.7eV)，后者与C_N缺陷的相互作用呈现对数型脉冲宽度依赖。

ICT reveals TED-assist hole transport

ICT技术解析出空穴传输的三阶段动力学：快速发射(E_h1=0.26eV)、慢速发射和直接发射(E_h2=0.89eV)，证实TED通过扩展的陷阱带促进空穴垂直输运。

这项研究首次在原子尺度阐明了GaN中位错类型与载流子传输的对应关系：TSD通过浅能级网络主导电子传输，导致器件泄漏和动态退化；而TED通过空穴陷阱与缓冲层缺陷相互作用，反而提升器件稳定性。该发现颠覆了"位错密度越低越好"的传统认知，提出通过精确调控TSD/TED比例来优化器件性能的新思路。对于发展位错增强型器件、优化外延生长工艺具有重要指导意义，也为其他宽禁带半导体(SiC、金刚石等)的缺陷工程提供了范式参考。研究揭示的"一维电子气"(1-DEG)和"一维空穴气"(1-DHG)传输机制，可能为未来纳米线器件设计开辟新途径。