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扎根寬禁帶半導(dǎo)體物理，推動寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展——王蓉研究員 | 用戶動態(tài)
王蓉 特聘研究員
浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心
致力于寬禁帶半導(dǎo)體物理研究，在寬禁帶半導(dǎo)體的摻雜、缺陷以及能帶調(diào)控等方面開展了理論與實驗研究。近年來相關(guān)成果相繼發(fā)表于PhysicsReview Applied 和 AppliedPhysics Letter s等學(xué)術(shù)期刊；已擁有10項授權(quán)的國家發(fā)明專利；入選了浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心“求是科創(chuàng)學(xué)者計劃”。
近日浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院王蓉團隊再發(fā)新成果：闡明了碳化硅中不同類型位錯的形成機制和辨別方法，并研究了位錯對碳化硅電子、光學(xué)性質(zhì)的影響，為碳化硅中位錯缺陷性質(zhì)的調(diào)控奠定基礎(chǔ)，相關(guān)研究成果發(fā)表于ACSApplied Electronic Materials。
01
時代使命，全身心投入寬帶半導(dǎo)體研究
寬禁帶半導(dǎo)體是射頻和功率芯片的基礎(chǔ)材料，對信息通訊、新能源、智能電網(wǎng)和軌道交通等的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。但目前我國在寬禁帶半導(dǎo)體領(lǐng)域與國外相比，差距顯著。并且關(guān)鍵技術(shù)受制于人也對行業(yè)發(fā)展帶來巨大影響。
從國家急迫需要和長遠(yuǎn)需求出發(fā)，結(jié)合個人科研背景，王蓉研究員將科研重心定位在了寬禁帶半導(dǎo)體材料領(lǐng)域，與團隊成員針對寬禁帶半導(dǎo)體的摻雜、缺陷以及能帶調(diào)控等相關(guān)的物理問題進(jìn)行了深入研究。
圖1.王蓉研究員在寬禁帶半導(dǎo)體物理領(lǐng)域的研究。
02
攻關(guān)寬禁帶半導(dǎo)體中的雜質(zhì)與缺陷難題
目前，寬禁帶半導(dǎo)體材料的摻雜主要存在以下問題：摻雜劑固溶度受限、雙極摻雜困難、原生雜質(zhì)與本征缺陷的補償效應(yīng)限制寬禁帶半導(dǎo)體導(dǎo)電性能的提升。
針對這些問題，王蓉團隊闡明了碳化硅及氮化鎵中受主雜質(zhì)與原生缺陷的相互作用機制，提出通過微量合金化提升摻雜雜質(zhì)在氮化鎵中的固溶度、采用共摻降低受主雜質(zhì)在碳化硅中的離化能、利用非熱力學(xué)平衡方法促進(jìn)原生氫雜質(zhì)鈍化本征缺陷等方法提升寬禁帶半導(dǎo)體的導(dǎo)電性能，為寬禁帶半導(dǎo)體的器件應(yīng)用提供了理論支撐[Phys.Rev. Applied 11, 054021 (2019)、J.Appl. Phys. 131, 185703 (2022)、Chin.Phys. B 31, 046104(2022)]。
同時王蓉團隊發(fā)現(xiàn)摻雜雜質(zhì)與本征缺陷除了影響寬禁帶半導(dǎo)體的宏觀電學(xué)性質(zhì)外，還會在微觀尺度上影響寬禁帶半導(dǎo)體中位錯的電學(xué)性質(zhì)及動力學(xué)行為。比如在碳化硅中氮雜質(zhì)不僅會導(dǎo)致碳化硅的n型導(dǎo)電，還會綴飾碳化硅中的位錯，改變位錯的電學(xué)特性，并促進(jìn)位錯的形核與滑移，從而降低碳化硅的硬度和彈性模量[Phys.Rev. Applied 17, 054011 (2022)、Appl.Phys. Lett. 120, 052105 (2022)]。
寬禁帶半導(dǎo)體在材料生長和器件制備過程中無意引入的雜質(zhì)與缺陷還會影響寬禁帶半導(dǎo)體器件的性能及可靠性。團隊揭示了氮化鎵基高電子遷移率晶體管中原生雜質(zhì)（如氧雜質(zhì)、氫雜質(zhì)）與本征缺陷結(jié)合形成的缺陷復(fù)合體會在器件使役過程中發(fā)生缺陷構(gòu)型的改變，導(dǎo)致器件的可靠性衰退[Appl.Phys. Lett. 115, 143504 (2019)、IEEETrans. on Electron Devices 66, 5091(2019)]；同時王蓉團隊闡明了氮化鎵異質(zhì)結(jié)中鎵空位綴飾位錯的內(nèi)在物理機制及其對異質(zhì)結(jié)電學(xué)性質(zhì)的影響機理；基于以上物理圖像，通過低注量中子輻照調(diào)控了氮化鎵異質(zhì)結(jié)中位錯的構(gòu)型，實現(xiàn)了氮化鎵異質(zhì)結(jié)電學(xué)特性的提升[Phys.Rev. Applied 14, 024039 (2020)、Appl.Phys. Lett. 117, 023501 (2020)]。
03
基于能帶調(diào)控探索寬禁帶半導(dǎo)體的新應(yīng)用
隨著寬禁帶半導(dǎo)體的應(yīng)用向深紫外發(fā)光、超高功率電子學(xué)等領(lǐng)域拓展，在更寬范圍內(nèi)、更連續(xù)地調(diào)控寬禁帶半導(dǎo)體的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)已成為寬禁帶半導(dǎo)體發(fā)展的必然趨勢之一?；谒脑辖鸹哪軒Х聪蛟O(shè)計可滿足上述發(fā)展需求。
然而，由于缺乏計算四元半導(dǎo)體合金晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的方法，研究者無法根據(jù)實際應(yīng)用條件設(shè)計四元半導(dǎo)體合金的組分，這嚴(yán)重限制了四元合金化在寬禁帶半導(dǎo)體性能調(diào)控中的應(yīng)用。為此王蓉及其團隊提出了計算四元半導(dǎo)體合金晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的新方法，闡明了四元半導(dǎo)體合金的性能與原子尺寸及軌道能量之間的物理關(guān)聯(lián)，為四元寬禁帶半導(dǎo)體合金的性能調(diào)控奠定了理論支撐。
最后他們利用四元合金化調(diào)控了傳統(tǒng)寬禁帶半導(dǎo)體硒化鋅的晶體結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)，并通過能帶反向設(shè)計將其應(yīng)用至薄膜太陽電池，指導(dǎo)了薄膜太陽電池界面能帶結(jié)構(gòu)的優(yōu)化及太陽電池效率的提升[Phys.Rev. Applied 13, 064055 (2020)、ACSAppl. Mater. Inter. 13, 15237 (2021)]。
04
助力寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)發(fā)展
依托浙江大學(xué)硅材料國家重點實驗室和電力電子應(yīng)用國家工程研究中心，浙江大學(xué)杭州國際科創(chuàng)中心已建成以碳化硅為代表的寬禁帶半導(dǎo)體全鏈條貫通的研究平臺。
王蓉作為第一批來科創(chuàng)中心先進(jìn)半導(dǎo)體研究院工作的青年人才，見證了科創(chuàng)中心的發(fā)展變遷，她說：“我們的想法就是針對產(chǎn)業(yè)痛點，把相關(guān)基礎(chǔ)問題研究清楚，形成對產(chǎn)業(yè)技術(shù)開發(fā)的有力支撐，真正提升半導(dǎo)體碳化硅材料的性能和良品率，解決產(chǎn)業(yè)實際問題！”。
秉承“求是創(chuàng)新”的浙大精神，以及“勤學(xué)、修德、明辨、篤實”的共同價值觀，王蓉及其團隊將在該平臺繼續(xù)腳踏實地地在寬禁帶半導(dǎo)體物理領(lǐng)域協(xié)同攻關(guān)，為寬禁帶半導(dǎo)體的摻雜、缺陷以及能帶調(diào)控等技術(shù)的開發(fā)奠定堅實的基礎(chǔ)，助力我國寬禁帶半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，為科技強國貢獻(xiàn)力量。
儀器推薦
文中碳化硅的位錯結(jié)果圖由?HORIBA LabRAM HR Evolution（升級型號LabRAM Odyssey）檢測獲取，該儀器可實現(xiàn)UV-VIS-NIR 全光譜范圍拉曼檢測。焦長達(dá)到800mm，具有超高的光譜分辨率和空間分辨率。碳化硅的位錯PL位于紫外-可見范圍，需要用到325nm激發(fā)波長。即使在紫外區(qū)，儀器依然可以實現(xiàn)超快速PL成像，獲取亞微米級的空間分辨率。
LabRAM HR Evolution 高分辨拉曼光譜儀
