作者:張雙虎 發表時間:2011-04-18 來源:科學時報
寬禁帶半導體材料具有熱導率高、擊穿電場高等特點，在高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導體器件等方面具有廣泛的應用前景。
在國家自然科學基金、科技部和北京市科委的資助下，中科院物理研究所/北京凝聚態物理國家實驗室（籌）研究員陳小龍及其領導的功能晶體研究與應用中心一直致力于寬禁帶半導體磁性起源問題的研究。最近，他們從實驗和理論上證明了雙空位導致磁性，并在實驗上給出了直接證據，為通過缺陷工程調控寬禁帶半導體的磁性提供了實驗基礎，相關結果發表在《物理評論快報》上。
更優越的電磁特性
在半導體工業中，人們習慣地把鍺（Ge）、硅（Si）為代表的元素半導體材料稱為第一代半導體材料，把砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的化合物半導體材料稱為第二代半導體材料，而把氮化鎵（GaNP） 、碳化硅（SiC）為代表的寬禁帶半導體材料稱為第三代半導體材料。
“由于這些材料的帶隙更寬（禁帶寬度大于2個電子伏特），和硅半導體材料相比，它們表現出更優越的電磁特性，可以實現更多電磁功能。”陳小龍說，“比如電腦的CPU運轉起來會發熱，如果溫度過高，半導體材料就會失去其電磁性能，CPU就不能工作，所以CPU大多要加風扇冷卻。普通的半導體硅工作環境是100攝氏度左右，而碳化硅材料可以在幾百攝氏度的環境下工作。”
寬禁帶半導體材料有與硅、砷化鎵不同的微結構，因而具有獨特的光學、電學性質。它們一般有更高的擊穿電場、高飽和漂移速度和高熱導率，小介電常數和高的電子遷移率，以及抗輻射能力強等特性，從而成為國內外研究的熱點，更成為制作高頻、大功率、耐高溫和抗輻射器件的理想材料。
目前非常受人矚目的半導體照明是一種新型的高效、節能和環保光源。它將逐步取代目前使用的大部分傳統光源，被稱為21世紀照明光源的革命。而氮化鎵基高效率、高亮度發光二極管（LED）的研制是實現半導體照明的核心技術和基礎。
DVD的光存儲密度與作為讀寫器件的半導體激光器的波長的平方成反比，氮化鎵基短波長半導體激光器可以把當前使用的砷化鎵基半導體激光器的DVD光存儲密度提高4至5倍，將會成為光存儲和處理的主流技術。
高溫、高頻、高功率微波器件是無線通信、國防等領域急需的電子器件，如果目前使用的微波功率管的輸出功率密度提高一個數量級，微波器件的工作溫度提高到300攝氏度，將解決航天航空用電子裝備和民用移動通信系統的一系列難題。
傳統半導體物理的難解現象
電子同時具有電荷和自旋兩種屬性，半導體器件利用了電子的電荷屬性，大容量信息存儲則是基于電子的自旋屬性。稀磁半導體（DMS）為我們提供了同時利用電子的電荷屬性和自旋屬性的機會，有望帶來信息技術的重大變革。
“稀磁半導體是指在非磁性半導體材料基體中通過摻入少量磁性過渡族金屬元素或稀土金屬元素，讓半導體獲得鐵磁性能。它能把半導體的特性和磁性結合起來，能實現更多電磁功能。”陳小龍說，“向半導體中摻入磁性元素的難易程度取決于半導體的性質，向寬禁帶半導體材料中摻入磁性元素很困難，基本上摻不進去。但奇怪的是，寬禁帶半導體有時卻表現出磁性。”
無論是氮化鎵基光電子材料與器件，還是氮化鎵基微電子材料與器件都涉及到Ⅲ族氮化物半導體特有的許多新的科學和技術問題。從傳統的半導體物理到寬禁帶半導體物理，引入了不少新概念，也出現了一些傳統的半導體物理難以解釋的現象。這些科學問題的研究帶動了凝聚態物理，特別是半導體物理的發展。因此，寬禁帶半導體物理、材料與器件研究具有重要的科學意義，它已在國際上發展成為一門新的交叉學科。
近年來，通過3d過渡族元素摻雜制備具有室溫鐵磁性寬禁帶半導體的研究取得了很大的進展，但其磁性的起源一直存在爭議。有些過渡族元素摻雜的寬禁帶半導體的磁性被認為源于第二相或磁性元素在基體中的偏聚，而并非本征屬性。越來越多的證據表明，磁性元素并不是導致本征磁性的唯一原因，缺陷在磁性引入中的作用逐漸被人們所認識。
產生稀磁半導體的新方法
陳小龍及其研究團隊的前期工作表明，僅考慮磁性元素摻雜不足以解釋稀磁半導體所表現出的磁性。之后，他們通過摻雜非磁性元素在碳化硅和BN中觀察到了鐵磁性（相關結果發表在《物理評論快報》）上。
基于以上研究結果，為了進一步研究寬禁帶半導體中自旋的起源，該中心劉宇、王剛和陳小龍等與相關單位合作，對中子輻照碳化硅單晶的磁性開展了深入研究，從實驗和理論上證明了雙空位導致磁性，首次在實驗上給出了直接證據，為通過缺陷工程調控寬禁帶半導體的磁性提供了實驗基礎。
“我們只是發現一種產生稀磁半導體的新方法。” 陳小龍說，“我們先從理論上發現這一方法，又從實驗中證實，在寬禁帶半導體中產生空位，不用往里摻東西，也能產生磁性。”
高質量的碳化硅單晶為研究寬禁帶半導體磁性的起源提供了理想的材料體系。研究人員選取高質量、高純度碳化硅單晶，對其分別進行不同劑量的中子輻照。拉曼圖譜表明，輻照后晶片的晶型沒有發生明顯變化，但中子束對晶片造成了一定的損傷。隨后，通過正電子湮沒壽命譜對樣品的缺陷種類和濃度進行了表征。輻照樣品中的缺陷以硅碳雙空位（VSiVC）為主，隨著輻照劑量的增加，缺陷濃度逐漸增加。磁性測量表明，通過較低劑量的中子輻照即可在碳化硅中誘導出磁性，隨著輻照劑量的增加，樣品的磁性不斷增強，最大輻照劑量的樣品具有清晰的磁滯回線。缺陷濃度和飽和磁化強度對輻照劑量具有相同的依賴關系。
這清楚地表明，中子輻照產生的雙空位導致了鐵磁性。理論工作還表明，改變載流子的類型和濃度，由雙空位引起的磁矩也可以形成反鐵磁有序，相關的實驗工作正在進行中。
“也就是說，通過中子輻照，可使寬禁帶半導材料獲得磁性。而且我們可以通過輻照時間、輻照量、中子能量大小等控制磁性強弱。”陳小龍說。