位错是晶体材料中晶格局部错位的常见线型缺陷，也是生长高质量氮化物半导体材料和制备高能效器件的关键缺陷之一。位错在外场下的运动不仅可能使材料发生力学、电学和光学上的多维度失稳失效，还会导致半导体器件一系列的可靠性问题。长期以来，人们对位错运动的理解主要建立在直观的力学物理图景上，即位错的移动总是需要施加机械应力或库仑力等方式迫使原子移动来实现。鉴于电子在半导体材料中的关键作用，能否在电子尺度上通过电子结构的调制反向影响位错的运动行为，以期降低位错密度、降低甚至消除位错缺陷的负面影响，已经逐渐成为凝聚态物理和半导体材料科学领域的重要前沿问题。
国家第三代半导体技术创新中心（苏州）【以下简称“国创中心（苏州）”】联合中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所围绕氮化物中穿透位错运动的微观机制开展系列研究。近日，厉志乔博士率先报道了费米能级这一重要电子结构参量在调控位错运动上的重要作用，相关研究成果在物理领域顶刊《Physical Review Letters》（中科院一区TOP，影响因子9.4）发表，合作导师为徐科研究员，文章题目为“Fermi-Level Reduction Drives Vacancy-Mediated Dislocation Motion”。该研究在原子尺度报道了氮化物半导体中穿透位错可以在电子束辐照诱导下发生一种非力学激励的异常运动模式，并揭示了其背后的费米能级驱动机制。研究表明，电子并不是简单地把位错“撞走”，而是通过改变缺陷的电荷状态和能量稳定性，重新塑造了位错运动的“能量地形”，从而让位错自发地发生迁移。
01
化不可动为可动的背后，是位错在“吐纳”空位
研究团队利用原子分辨透射电子显微镜，对氮化铝中的一类混合型穿透位错进行了动态观察。实验发现随着电子束持续照射，原本理论上不可动的不全位错先向另一个不全位错靠近，随后又重新远离，发生了异常的局域运动行为。这一现象与传统力学理论给出的预测相矛盾：这一对不全位错间的弹性交互作用总是互斥的，不可能引起实验观察到的“掉头”运动。
图：氮化铝中混合位错在电子束辐照下发生结构演化。端部不全位错（蓝色原子模型）随辐照时间发生往复移动。
进一步的原子结构分析给出了这段位错运动的“动作分解”：事实上位错每移动一步，都伴随着空位的吸收或释放。其中，部分位错的刃型分量发生空位辅助的攀移，而螺型分量同时发生滑移。两种运动耦合在一起，使位错核心能够在原子尺度上实现可逆的前后移动。
图：辐照下混合位错核心结构演变示意图。结构演变耦合了空位辅助的刃分量攀移以及螺分量滑移。
从微观角度看，这就像位错并不是被外力整体“推着走”，而是在不断“吃进”或“吐出”晶格中的空位，通过重新排列自身的原子结构，一步一步改变位置。那么，电子束辐照为什么能够引发位错吸收空位、释放空位的过程？
02
费米能级“潮涨潮落”，位错结构“随遇而安”
研究发现，原因指向了半导体中一个关键的电子结构参量——费米能级。
如果把半导体中的电子体系类比成一片“能量水域”，费米能级可以被形象地理解为描述电子占据状态的一条“能量水位线”。在电子束照射下，入射电子不仅激发晶格原子产生空位，还会通过二次电子和俄歇电子激发不断抽走“水域”中的“水”。被激发的电子离开样品后，在局部留下富含空穴的非平衡正电环境，从而使局部“水位线”即费米能级降低。
在半导体中，氮空位、铝空位以及位错都可能具有不同的电荷状态，而这些电荷状态与费米能级密切相关。当费米能级降低后，位错核心和空位的稳定电荷状态随之改变。这意味着，在某一费米能级下原本稳定的位错芯结构，当费米能级由于辐照而降低后，可能不再是最稳定状态。此时，位错就可以通过吸收或释放带电的铝空位和氮空位，调整自身电荷状态，转变为另一种能量更低的结构。
换句话说，费米能级并不直接对位错施加“力”，而是改变位错结构自发演化的“能量路径”。
图：电子束辐照诱导费米能级下降过程中位错核心及空位价态发生变化并自组装形成低能结构，引发位错局域运动。
03
由“力”到“电”，引发缺陷调控新范式的思考
该工作不仅观察到一种新的位错运动方式，更拓展了对“什么能够驱动位错运动”这一基础问题的认识。
传统位错理论主要关注应力、应变等力学调控方法。而传统电学调控位错方法，如外加电场、电脉冲等，也往往需要借助库仑力等作用促使带电位错发生运动。该研究则提出了不同的解释——费米能级本身可以作为一种非力学激励因素，通过改变位错和点缺陷的电荷状态与热力学稳定性，调控位错核心结构重构及局域运动。
该研究的结论还适用于更小带隙的氮化镓（GaN）材料，反映了该机制是氮化物半导体中具有普适性的缺陷调控规律。在现代电子和光电子器件中，载流子浓度、掺杂、电场、光激发以及非平衡工作状态都可能改变局部费米能级。而位错又常常与漏电、非辐射复合以及局部应变密切相关。
因此，通过这项研究还可以意识到，器件中的位错并不一定是“静止不变”的结构缺陷，它的原子结构甚至局部位置可能在氮化物半导体材料外延生长、器件制备、器件工作过程中因电子环境的改变而发生同步动态演化。相应地，也为人们未来通过电学、光学或载流子调控手段降低材料位错密度、抑制位错漏电、调整位错辐射复合特性等方面提供了一个新思路。随着对这一机制认识的不断深入，未来有望将其拓展到更多氮化物半导体材料和器件中，为半导体缺陷从“被动消除”走向“主动调控”提供新的方向，也为进一步改善材料质量和器件性能打开新的空间。
论文链接：https://doi.org/10.1103/23ns-6ttl
04
平台介绍
从原子尺度的微观机制研究，到材料与器件性能评价，离不开高水平测试分析技术的支撑。本次研究中，研究团队捕捉到了氮化物半导体中位错运动的微观过程，并进一步解析其原子结构演变。类似这样的微观科学发现，离不开先进测试表征手段对材料结构、缺陷和电子状态的精准“观察”。国创中心（苏州）测试分析与服役评价平台正是围绕光电子材料与器件产业化中的检测难点与空白，开展多学科、多尺度的测试技术攻关，重点突破材料分析、器件失效与服役性能评价等关键测试技术，提供覆盖材料、芯片到模块的全链条测试技术支持，打造系统级解决方案与完善的检测认证服务体系，为从微观结构发现到科学机制揭示提供重要技术支撑。
目前拥有50多人的专业测试表征和仪器研制队伍，自主研发十余台套核心装备，具有从原理创新、工程技术、核心专利、国家标准制定到工程样机的全流程成功案例，建立了国内首个第三代半导体材料的SIMS标准样品库，开发了Micro-LED、激光器和HEMT等芯片的系统性表征方案及多套关键检测技术，形成从材料、器件到系统的分析能力，为客户提供专业、可靠的一站式测试分析与评价体系服务。每年为超过300家以上企业、高校和研发机构提供专业高效的测试分析服务。
国创中心（苏州）将进一步发挥开放共享与资源汇聚优势，深化与高校、科研院所及龙头企业的联合攻关，推动测试技术从研发到应用的快速迭代，为光电子及第三代半导体产业提供坚实的技术底座与质量保障，为构建自主可控的产业创新体系、赋能战略性新兴产业发展贡献力量。
