半导体新发现：氮化镓晶体缺陷的罪魁祸首

深入理解GaN缺陷在原子级形成的原因能够改善GaN材料器件的性能。希腊塞萨洛尼基亚里士多德大学物理系的研究人员通过检测和确定GaN晶格的六个核心配置，朝着这一目标迈出了重要的一步。他们在《应用物理》杂志上发表了他们的研究结果。

研究背景

随着硅基半导体达到其性能极限，氮化镓（GaN）正成为推动发光二极管（LED）技术、高频晶体管和光伏器件的下一代材料。然而，阻碍GaN发展的是其体内存在的大量缺陷。

这种材料缺陷是由位错导致的，即原子在晶格结构中发生位移。当多个位错同时在剪切力作用下移动时，沿着晶格平面的键会拉伸并最终破裂。当原子重新排列以改变它们的键时，一些平面保持完整而另一些则永久变形，只有一半平面恢复位置。如果剪切力足够大，则位错将最终伸展到材料的边缘。

在不同材料的衬底上生长的GaN使得问题更加严重，因为晶格结构通常不匹配。所以深入理解GaN缺陷在原子级形成的原因能够改善GaN材料器件的性能。

Joseph Kioseoglou研究员说，“我们的目标是识别、处理和表征这些错位，以充分理解GaN中缺陷的影响，从而找到优化这种材料的具体方法。当然，还存在一些GaN本质固有的问题，这些问题导致诸如GaN基LED发光中的颜色偏移之类的不期望的效应，可以通过不同的材料增长方向来解决。”

位错模拟分析

研究人员通过分子动力学和密度泛函理论模拟使用计算分析来确定GaN中沿<1-100>方向的a型边缘位错的结构和电子特性。沿着这个方向的位错在半极性生长方向上很常见。

图 该图像描绘了纤锌矿结构GaN中沿<1-100>方向的a-边缘位错的每个原子（a）和（b）的应力分布。

该研究基于具有不同核心配置的三种模型。第一个由Ga极性的三个氮（N）原子和一个镓（Ga）原子组成;第二个由四个N原子和两个Ga原子;第三个包含两个N原子和两个Ga核相关原子。对于每种构型，使用大约15,000个原子进行分子动力学计算。

研究结果

研究人员发现，与Ga极性相比，N极配置在带隙中表现出明显更多的状态，其中N极配置呈现更小的带隙值。

Kioseoglou说，“较小的带隙值与其内部的大量状态之间存在联系，这些发现可能证明了N作为GaN基器件中与位错有关的影响的主要原因。”