近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所李永鋼研究員、曾雉研究員團隊與北京計算科學(xué)研究中心黃兵研究員合作，發(fā)展了第一性原理驅(qū)動的多尺度模型框架，用于輻照半導(dǎo)體中深能級缺陷的多維度鑒定，解決了非平衡半導(dǎo)體缺陷原子起源及動力學(xué)演化的難題。相關(guān)成果以“Multidimensional defect identification of semiconductors in nonequilibrium”為題，發(fā)表在國際知名期刊Nature Communications上。

隨著深空探測、核能應(yīng)用和量子科技等需求的增長，確定半導(dǎo)體缺陷的原子起源對于缺陷調(diào)控及光電子器件優(yōu)化至關(guān)重要。然而，半導(dǎo)體器件在工藝加工和高能粒子輻照環(huán)境下，會產(chǎn)生大量非平衡態(tài)缺陷。此類缺陷相對于平衡態(tài)缺陷的識別極具挑戰(zhàn)性，現(xiàn)有的表征技術(shù)如深能級瞬態(tài)譜（DLTS）只能探測光電信號，無法解析缺陷的原子起源，而傳統(tǒng)的平衡態(tài)缺陷理論也難以處理非平衡缺陷的多維特性。

為解決這些問題，研究團隊打破傳統(tǒng)的單維度分析方法，構(gòu)建了基于第一性原理的多尺度模型框架，突破了非平衡缺陷精準(zhǔn)鑒定和DLTS準(zhǔn)確模擬的兩大技術(shù)瓶頸，成功實現(xiàn)了輻照半導(dǎo)體中深能級缺陷的多維度鑒定及其演化機理揭示。團隊首先運用該方法成功鑒定了中子輻照硅中的深能級缺陷，驗證了方法的可靠性。并進一步鑒定了中子輻照第三代半導(dǎo)體4H-SiC中的深能級缺陷，解決了其原子起源的長期爭議。研究還發(fā)現(xiàn)，由于不同溫度下的缺陷動力學(xué)行為不同，缺陷類型會隨著退火溫度的變化而顯著改變，這一發(fā)現(xiàn)顛覆了長期以來基于靜態(tài)缺陷理論的認(rèn)知。該工作有力推動了半導(dǎo)體非平衡缺陷理論的發(fā)展，并為半導(dǎo)體材料和器件性能的調(diào)控提供了重要指導(dǎo)，有望應(yīng)用于抗輻照電子器件和固態(tài)量子比特設(shè)計等國家重點領(lǐng)域。

博士后劉俊、博士研究生高揚和寧波東方理工大學(xué)博士后晏曉嵐為論文共同第一作者，李永鋼研究員、黃兵研究員和曾雉研究員為通訊作者。該工作得到國家自然科學(xué)基金、安徽省自然科學(xué)基金、科學(xué)挑戰(zhàn)計劃、中國科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項和青年創(chuàng)新促進會的資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41467-025-65718-8

圖1. 第一性原理驅(qū)動的輻照半導(dǎo)體深能級缺陷多維度鑒定的多尺度模型框架

圖2. 中子輻照硅中深能級缺陷的鑒定過程

圖3. 非平衡態(tài)下4H-SiC中深能級缺陷的多維度鑒定