突破性氮化镓(GaN)缺陷研究入选 Nature Communications, 2025 Park AFM 奖学金得主出炉

Q1：请总结一下您所从事的研究，并说明其重要意义是什么？

答：
  我的研究聚焦于宽禁带半导体中的缺陷物理，致力于揭示氮化镓（GaN）材料中复杂的载流子输运机制。在近期发表于《Nature Communications》的工作中，我们解决了一个长期存在的学术争议。通过制备具有特定位错类型的GaN外延层，我们首次在实验上区分了螺位错（TSD）和刃位错（TED）的不同作用。研究发现，TSD由于其空芯结构和局域浅能级（E_TSD），构成了有害的电子漏电通道；反之，TED却出人意料地发挥了有益作用，通过缺陷能级（E_TED）促进垂直方向的空穴输运，这有助于缓解电荷俘获并提升器件可靠性。

  这项研究的重大意义在于它从根本上转变了GaN“缺陷工程”的传统范式。过去，所有位错通常被一视同仁地视为有害的散射中心，而我们的发现揭示了一种“双路径机制”，即不同类型的位错分别调控电子和空穴的流动。这一理解对于解决GaN功率器件中棘手的“电流崩塌”及动态导通电阻（R_ON）退化问题至关重要。它提供了一个精确的物理模型，指导工程师不能仅仅致力于降低总缺陷密度，更要通过优化TSD与TED的比例来实现器件性能的跃升。

Q2：您的研究未来可能会被应用在哪些方面？

答：

  我们的研究为下一代高鲁棒性GaN功率电子器件提供了明确的技术路线图，主要体现在三个方面：

• 首先是外延生长的优化，制造商现在可以调整生长条件（例如选择AlN或GaN成核层），在抑制有害TSD的同时，有意识地保留足够密度的TED以辅助空穴再分布和抑制漏电。

  
  

• 其次是器件可靠性工程，确立的“双路径”输运模型解释了高压应力下的失效机制，工程师利用该模型设计的缓冲层能够利用TED辅助的空穴输运来中和电子俘获，从而稳定高频开关应用中的动态RON。

  
  

• 最后是新型器件架构的探索，这套针对位错特异性输运的表征方法学具有广阔的拓展性，可延伸应用于碳化硅（SiC）、金刚石和钙钛矿等新兴材料，有望催生一类全新的“位错增强型”电子器件。

Q3: Park AFM 的哪些功能对您的研究最有帮助？为什么？

答：

  在本项研究中，Park AFM的多模式功能和高空间分辨率是最具价值的特性，具体体现在以下关键环节：

• 其一是精准的缺陷识别能力。我们依赖其卓越的形貌成像技术，根据腐蚀坑的几何特征精准区分位错类型——将TSD识别为大尺寸的梯形β坑，而TED则为小尺寸的三角形α坑。

  
  

• 其二是原位电学表征（C-AFM & EFM）的能力。系统能够在同一纳米级区域内无缝切换形貌、导电原子力显微镜（C-AFM）和静电力显微镜（EFM）模式，这使我们能够直接将单个位错的物理结构与其电学行为一一对应。

  
  

• 其三是测量的灵敏度与稳定性。C-AFM模式具备极高的灵敏度，能够检测高绝缘结构中皮安（pA）级的微弱漏电流；此外，该系统允许在关闭激光的情况下进行扫描，彻底消除了光电干扰，确保了漏电流数据的真实性和完整性。

Q4: 为什么 Park AFM 对您的研究至关重要？

答：

  Park AFM在我们的研究中充当了连接宏观器件性能与微观缺陷物理的桥梁。虽然光致发光（PL）和深能级瞬态谱（DLTS）能够提供能级数据，但它们缺乏必要的空间分辨率。我们需要确凿的证据来定位物理上的漏电和输运究竟发生在哪里。

Park AFM使我们能够直接可视化漏电路径：

利用C-AFM，我们确切证实了漏电流集中在TSD的核心（open-core类型位错核心坑），而TED对电子保持电绝缘。利用EFM绘制电势分布图，我们揭示了由 TSD 诱导的约1V的电势阱。

如果没有Park AFM(XE-70)提供的这种具有空间分辨率的电学数据，关于TSD和TED在载流子输运中扮演截然相反角色的结论将仅仅停留在理论假设阶段，而非实验证实的事实。它是验证我们第一性原理计算并最终完善物理模型的决定性工具。