让半导体实现更多电磁功能

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 宽禁带半导体材料具有热导率高、击穿电场高等特点,在高频、大功率、耐高温、抗辐照的半导体器件等方面具有广泛的应用前景。

  在国家自然科学基金、科技部和北京市科委的资助下,中科院物理研究所/北京凝聚态物理国家实验室(筹)研究员陈小龙及其领导的功能晶体研究与应用中心一直致力于宽禁带半导体磁性起源问题的研究。最近,他们从实验和理论上证明了双空位导致磁性,并在实验上给出了直接证据,为通过缺陷工程调控宽禁带半导体的磁性提供了实验基础,相关结果发表在《物理评论快报》上。

  更优越的电磁特性

  在半导体工业中,人们习惯地把锗(Ge)、硅(Si)为代表的元素半导体材料称为第一代半导体材料,把砷化镓(GaAs)、磷化铟(InP)为代表的化合物半导体材料称为第二代半导体材料,而把氮化镓(GaNP) 、碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体材料称为第三代半导体材料。

  “由于这些材料的带隙更宽(禁带宽度大于2个电子伏特),和硅半导体材料相比,它们表现出更优越的电磁特性,可以实现更多电磁功能。”陈小龙说,“比如电脑的CPU运转起来会发热,如果温度过高,半导体材料就会失去其电磁性能,CPU就不能工作,所以CPU大多要加风扇冷却。普通的半导体硅工作环境是 100摄氏度左右,而碳化硅材料可以在几百摄氏度的环境下工作。”

  宽禁带半导体材料有与硅、砷化镓不同的微结构,因而具有独特的光学、电学性质。它们一般有更高的击穿电场、高饱和漂移速度和高热导率,小介电常数和高的电子迁移率,以及抗辐射能力强等特性,从而成为国内外研究的热点,更成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料。

  目前非常受人瞩目的半导体照明是一种新型的高效、节能和环保光源。它将逐步取代目前使用的大部分传统光源,被称为21世纪照明光源的革命。而氮化镓基高效率、高亮度发光二极管(LED)的研制是实现半导体照明的核心技术和基础。

  DVD的光存储密度与作为读写器件的半导体激光器的波长的平方成反比,氮化镓基短波长半导体激光器可以把当前使用的砷化镓基半导体激光器的DVD光存储密度提高4至5倍,将会成为光存储和处理的主流技术。

  高温、高频、高功率微波器件是无线通信、国防等领域急需的电子器件,如果目前使用的微波功率管的输出功率密度提高一个数量级,微波器件的工作温度提高到300摄氏度,将解决航天航空用电子装备和民用移动通信系统的一系列难题。

  传统半导体物理的难解现象

  电子同时具有电荷和自旋两种属性,半导体器件利用了电子的电荷属性,大容量信息存储则是基于电子的自旋属性。稀磁半导体(DMS)为我们提供了同时利用电子的电荷属性和自旋属性的机会,有望带来信息技术的重大变革。

  “稀磁半导体是指在非磁性半导体材料基体中通过掺入少量磁性过渡族金属元素或稀土金属元素,让半导体获得铁磁性能。它能把半导体的特性和磁性结合起来,能实现更多电磁功能。”陈小龙说,“向半导体中掺入磁性元素的难易程度取决于半导体的性质,向宽禁带半导体材料中掺入磁性元素很困难,基本上掺不进去。但奇怪的是,宽禁带半导体有时却表现出磁性。”

  无论是氮化镓基光电子材料与器件,还是氮化镓基微电子材料与器件都涉及到Ⅲ族氮化物半导体特有的许多新的科学和技术问题。从传统的半导体物理到宽禁带半导体物理,引入了不少新概念,也出现了一些传统的半导体物理难以解释的现象。这些科学问题的研究带动了凝聚态物理,特别是半导体物理的发展。因此,宽禁带半导体物理、材料与器件研究具有重要的科学意义,它已在国际上发展成为一门新的交叉学科。

  近年来,通过3d过渡族元素掺杂制备具有室温铁磁性宽禁带半导体的研究取得了很大的进展,但其磁性的起源一直存在争议。有些过渡族元素掺杂的宽禁带半导体的磁性被认为源于第二相或磁性元素在基体中的偏聚,而并非本征属性。越来越多的证据表明,磁性元素并不是导致本征磁性的唯一原因,缺陷在磁性引入中的作用逐渐被人们所认识。

  产生稀磁半导体的新方法

  陈小龙及其研究团队的前期工作表明,仅考虑磁性元素掺杂不足以解释稀磁半导体所表现出的磁性。之后,他们通过掺杂非磁性元素在碳化硅和BN中观察到了铁磁性(相关结果发表在《物理评论快报》)上。

  基于以上研究结果,为了进一步研究宽禁带半导体中自旋的起源,该中心刘宇、王刚和陈小龙等与相关单位合作,对中子辐照碳化硅单晶的磁性开展了深入研究,从实验和理论上证明了双空位导致磁性,首次在实验上给出了直接证据,为通过缺陷工程调控宽禁带半导体的磁性提供了实验基础。

  “我们只是发现一种产生稀磁半导体的新方法。” 陈小龙说,“我们先从理论上发现这一方法,又从实验中证实,在宽禁带半导体中产生空位,不用往里掺东西,也能产生磁性。”

  高质量的碳化硅单晶为研究宽禁带半导体磁性的起源提供了理想的材料体系。研究人员选取高质量、高纯度碳化硅单晶,对其分别进行不同剂量的中子辐照。拉曼图谱表明,辐照后晶片的晶型没有发生明显变化,但中子束对晶片造成了一定的损伤。随后,通过正电子湮没寿命谱对样品的缺陷种类和浓度进行了表征。辐照样品中的缺陷以硅碳双空位(VSiVC)为主,随着辐照剂量的增加,缺陷浓度逐渐增加。磁性测量表明,通过较低剂量的中子辐照即可在碳化硅中诱导出磁性,随着辐照剂量的增加,样品的磁性不断增强,最大辐照剂量的样品具有清晰的磁滞回线。缺陷浓度和饱和磁化强度对辐照剂量具有相同的依赖关系。

  这清楚地表明,中子辐照产生的双空位导致了铁磁性。理论工作还表明,改变载流子的类型和浓度,由双空位引起的磁矩也可以形成反铁磁有序,相关的实验工作正在进行中。

  “也就是说,通过中子辐照,可使宽禁带半导材料获得磁性。而且我们可以通过辐照时间、辐照量、中子能量大小等控制磁性强弱。”陈小龙说。

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