深入理解GaN缺陷在原子級(jí)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(xué)物理系的研究人員通過檢測和確定GaN晶格的六個(gè)核心配置，朝著這一目標(biāo)邁出了重要的一步。他們?cè)凇稇?yīng)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(dǎo)體達(dá)到其性能極限，氮化鎵（GaN）正成為推動(dòng)發(fā)光二極管（LED）技術(shù)、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(cuò)導(dǎo)致的，即原子在晶格結(jié)構(gòu)中發(fā)生位移。當(dāng)多個(gè)位錯(cuò)同時(shí)在剪切力作用下移動(dòng)時(shí)，沿著晶格平面的鍵會(huì)拉伸并最終破裂。當(dāng)原子重新排列以改變它們的鍵時(shí)，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(fù)位置。如果剪切力足夠大，則位錯(cuò)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(yán)重，因?yàn)榫Ц窠Y(jié)構(gòu)通常不匹配。所以深入理解GaN缺陷在原子級(jí)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(biāo)是識(shí)別、處理和表征這些錯(cuò)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(dāng)然，還存在一些GaN本質(zhì)固有的問題，這些問題導(dǎo)致諸如GaN基LED發(fā)光中的顏色偏移之類的不期望的效應(yīng)，可以通過不同的材料增長方向來解決。”

位錯(cuò)模擬分析

研究人員通過分子動(dòng)力學(xué)和密度泛函理論模擬使用計(jì)算分析來確定GaN中沿<1-100>方向的a型邊緣位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)和電子特性。沿著這個(gè)方向的位錯(cuò)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(cuò)的每個(gè)原子（a）和（b）的應(yīng)力分布。

該研究基于具有不同核心配置的三種模型。第一個(gè)由Ga極性的三個(gè)氮（N）原子和一個(gè)鎵（Ga）原子組成;第二個(gè)由四個(gè)N原子和兩個(gè)Ga原子;第三個(gè)包含兩個(gè)N原子和兩個(gè)Ga核相關(guān)原子。對(duì)于每種構(gòu)型，使用大約15,000個(gè)原子進(jìn)行分子動(dòng)力學(xué)計(jì)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(cuò)有關(guān)的影響的主要原因。”