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研究阐明非平衡半导体缺陷的原子起源及演化机理
2025年12月10日 15:57:02
来源：化工仪器网 作者：杨 点击量：4521
研究团队摒弃了传统的单维度分析思路，创新性地构建了一个“第一性原理驱动”的多尺度计算模拟框架。
近日，中国科学院合肥物质科学研究院联合团队，在半导体非平衡缺陷鉴定领域取得重要进展。研究团队发展了一套基于第一性原理的多尺度模型框架，首次实现了对辐照半导体中深能级缺陷的多维度精准鉴定，成功揭示了其原子起源与动力学演化规律。
半导体材料与器件在制造加工或空间辐射等环境中，容易受到高能粒子辐照，产生大量处于非平衡态的缺陷。这类缺陷会显著影响载流子寿命、迁移率等关键电学性能，是导致器件性能退化甚至失效的重要原因。然而，非平衡态缺陷的识别长期面临巨大挑战：传统的深能级瞬态谱(DLTS)等技术只能获取缺陷的能级和浓度等电学信号，无法直接揭示其具体的原子构型；而基于热平衡态发展的缺陷理论，也难以准确描述非平衡缺陷的复杂形成与演化行为。
为解决这一难题，研究团队摒弃了传统的单维度分析思路，创新性地构建了一个“第一性原理驱动”的多尺度计算模拟框架。该框架将量子力学层次的第一性原理计算与更高尺度的动力学模拟及谱学模拟相结合，不仅能够从原子层面预测缺陷的结构、能级和稳定性，还能直接模拟出对应的DLTS谱图，从而在理论计算与实验观测之间架起精准的桥梁。
利用这一强大工具，研究团队首先对中子辐照硅材料中的深能级缺陷进行了成功鉴定，验证了方法的可靠性。随后，他们聚焦于新一代半导体材料——碳化硅(4H-SiC)，清晰鉴定了其中子辐照后产生的深能级缺陷的原子起源，解决了该领域长期存在的争议。研究还发现，缺陷的类型并非一成不变，其动力学行为会随温度发生演变，导致在不同退火温度下主导的缺陷种类发生转变，这为非平衡缺陷的复杂性提供了新的理解。
研究团队所建立的多尺度鉴定方法，为深入理解辐照等非平衡条件下缺陷的产生、演化及其对器件性能的影响机制提供了关键理论工具和模拟平台。这一进展不仅对开发高性能、高可靠性的抗辐照电子器件(如航天电子、核能装置)具有重要指导意义，也为基于缺陷工程的固态量子比特设计与精密调控开辟了新的途径，有望推动相关前沿科技领域的发展。
相关研究成果Multidimensional defect identification of semiconductors in nonequilibrium于近日发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。
参考来源： 中国科学院合肥物质科学研究院
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