中國北大研究團隊，氮化鎵技術獲新突破

近日，北京大學物理學院楊學林、沈波團隊，聯合寬禁帶半導體研究中心等多個科研機構，在氮化鎵外延薄膜中位錯的原子級攀移動力學研究上取得重大突破。 

據悉，相關成果2025年2月5日以“從原子尺度上理解氮化物半導體中的位錯攀移：不對稱割階的影響”（Atomistic Understanding of Dislocation Climb in Nitride Semiconductors: Role of Asymmetric Jogs）為題在線發表于《物理評論快報》（Physical Review Letters）上。 

source：APS官網截圖 

氮化鎵作為寬禁帶半導體的代表，在光電子、射頻電子和功率電子領域有著巨大的應用潛力，是國際半導體研究的熱點。然而，當前主流的異質襯底外延制備方法，會在氮化鎵材料中引入大量位錯缺陷，嚴重影響材料和器件性能。因此，理解并調控氮化鎵中位錯的運動規律，成為半導體領域的關鍵科學問題。 

據介紹，晶體中的位錯有滑移和攀移兩種運動方式。在立方結構的硅材料中，位錯滑移研究已較為深入，有效推動了半導體集成電路發展。但在六方結構的氮化鎵中，位錯主要以攀移方式運動，且原子級的運動機制尚不清楚。傳統電鏡技術難以捕捉位錯的原子尺度動態過程，這給研究帶來了極大挑戰。 

針對這一難題，北大團隊采用掃描透射電子顯微鏡（STEM）的深度切片技術，巧妙設計外延結構，精確匹配位錯攀移傾角與STEM的深度分辨率，首次成功觀測到單根位錯線的原子級攀移過程。研究發現，混合位錯中的5環不全位錯以“5-9”原子環循環交替的方式進行攀移。 

北京計算科學研究中心黃兵團隊通過模擬計算，明確了位錯割階的原子和電子結構，提出“費米能級調控割階形成”的新機制，為理解摻雜對氮化鎵位錯攀移的影響提供了全新視角。 

氮化鎵中混合位錯的原子尺度攀移過程
source：“北大物理人”官微   

摻雜調控割階形成及攀移實驗結果及示意圖 
source：“北大物理人”官微 

該論文的共同第一作者為北大物理學院博士研究生楊涵和北京計算科學研究中心博士研究生韓相如，共同通訊作者為北大楊學林教授級高級工程師、北京計算科學研究中心黃兵研究員和北大沈波教授。研究得到了科技部、國家自然科學基金等多方支持。 

這一成果不僅加深了對氮化鎵位錯運動的原子級理解，更為未來氮化鎵基材料和器件的性能優化開辟了新途徑，有望推動寬禁帶半導體技術在多領域的廣泛應用。 

據北大研究團隊表示，接下來將基于此次成果，進一步探索位錯運動對氮化鎵基器件性能的具體影響，致力于開發出更有效的位錯調控技術，以實現氮化鎵基器件性能的大幅提升。同時，團隊也計劃與更多產業界伙伴合作，加速研究成果的產業化應用進程。

近年來，國內對氮化鎵技術的研發投入持續增加，眾多科研機構和企業紛紛布局該領域。除了北大團隊的這一突破，像南京集芯光電技術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展。 

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

該方法使用預處理的藍寶石襯底，在金屬有機化學氣相沉積設備中進行氮化鎵外延生長，生長時利用交替脈沖供給技術引入微量鐵摻雜降低背景載流子濃度，通過先進光刻、等離子體刻蝕技術制造源極、漏極和柵極結構，采用原子層沉積技術沉積氧化鉿作為柵介質層，再用等離子體增強化學氣相沉積技術完成結構建立，最后激光退火工藝結合氮氣氛圍消除晶體界面缺陷、降低漏電流，提升產品可靠性和穩定性。

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

該裝置由外槽體和可密封上內槽體構成，劃分出腐蝕區和清洗區，通過第一電機與齒輪實現晶圓上下運動，利用第二電機及螺紋結構實現清洗后轉移，提升了晶圓與腐蝕液體接觸均勻性，簡化操作流程，提高工作效率。