文档介绍：教育部推荐 2014 年度国家科学技术奖公示内容
项目名称:宽禁带半导体杂质缺陷行为研究
项目简介:
本项目属于半导体材料领域。以 GaN()、AlN()、InN()
及其合金构成的Ⅲ族氮化物和 ZnO 为代表的宽禁带半导体具有宽广、可调的直
接带隙,并具有高击穿场强、耐辐射等优异的物理特性,已经用于发展 LED、紫
外探测器等光电子器件和高温、高频、高功率电子器件,并且有望用于发展室温
可工作的半导体自旋电子学器件。宽禁带半导体不同于传统半导体材料,通常要
求比较苛刻的生长条件,材料中存在高密度的杂质位错和界面缺陷,对材料器件
性能有关键性影响,近年来一直是半导体研究的热点,具有十分重要的科学意义
和实用价值。本项目针对宽禁带半导体的高缺陷密度材料的结构表征和缺陷发光
机制,磁性杂质掺入、电子结构和磁性起源,杂质缺陷导致的局域激子行为和能
带重整化效应等开展了系统研究,取得一系列创新研究成果。主要科学发现包括:
1. 结合镶嵌模型和高分辨 X 射线衍射技术,提出了高缺陷密度薄膜材料的
结构表征方法。应用这一方法系统给出了 InN 薄膜材料中不同类型位错的密度、
数量关系和其它结构参数,揭示了不同生长方法导致的微结构对材料物理性质的
本质影响。采用主动掺杂的方法,揭示了 GaN 外延材料中缺陷发光带(黄带)
包含有多个不同物理特征的浅施主-深受主跃迁过程,提出“黄带”有多种化学
起源,阐明碳、氢等杂质均能导致“黄带”的产生。
2. 发展了高压低温溶剂热化学自组装方法制备了钴离子掺杂 ZnO 基稀磁
半导体纳米结构,提出了溶剂热法生长 ZnO 纳米结构的非完美自组装取向偏置
生长机制,揭示了纳米晶粒的生长动力学过程。观察到取向偏置过程中形成的界
面缺陷与纳米结构内部形成不同的磁性杂质离子浓度,导致了铁磁/顺磁特性的
纳米核/壳结构。提出具有巡游特征的浅施主态与局域化的 Co2+未占满 3d 态杂
化形成束缚磁性极化子,在费米能级附近产生自旋劈裂杂质带,最终形成高居里
温度的室温铁磁性的磁性起源机制。
3. 提出 ZnO 薄膜材料的晶体原子缺陷模型,揭示了晶粒耗尽区和体内平带
区不同的激子复合跃迁新机制。这一机制很好地解释了 ZnO 材料中普遍观察到
的绿光发射现象,澄清了 ZnO 材料尤其是纳米结构中的绿带发光起源。揭示了
ZnO 中 Ga 重掺杂导致载流子多体互作用导致的能带重整化(BGR)效应,首
次报道 ZnO:Ga 材料中的 BGR 系数的实验值,阐明了 Ga 重掺导致的 ZnO 导带
非抛物形电子能带结构。
本项成果受到国际同行广泛重视和高度评价,成果被国际同行权威学者在包
括 Nature Materials, Nano Letters, MSER, JACS,APL, PRB,
Nanotechnology 等重要刊物上大量引用、引述。已发表 SCI 论文 85 篇,其中
8 篇代表性论文共被 SCI 他引 370 篇,20 篇主要论文 SCI 他引 750 篇,均为正面
引用。本项成果在,产生重要的国际影响,对
发展宽禁带半导体材料和器件作出了重大贡献。项目组成员 40