人物专访：王蓉研究员：扎根宽禁带半导体物理，推动宽禁带半导体技术发展

王蓉，女，浙江大学杭州国际科创中心特聘研究员。致力于宽禁带半导体物理研究，在宽禁带半导体的掺杂、缺陷以及能带调控等方面开展了理论与实验研究。近年来相关成果相继发表于Physics Review Applied和Applied Physics Letters等学术期刊；已拥有10项授权的国家发明专利；入选了浙江大学杭州国际科创中心“求是科创学者计划”。

时代使命，全身心投入宽禁带半导体研究

宽禁带半导体是射频和功率芯片的基础材料，对信息通讯、新能源、智能电网和轨道交通等的发展起着至关重要的作用。从事宽禁带半导体研究以来，我深切感受到我国在宽禁带半导体领域与国外的显著差距，以及因关键技术受制于人对行业发展带来的巨大影响。

从国家急迫需要和长远需求出发，结合个人科研背景，我将科研重心定位在了宽禁带半导体材料领域，与团队成员针对宽禁带半导体的掺杂、缺陷以及能带调控等相关的物理问题进行了深入研究，矢志为我国宽禁带半导体科学与技术的发展贡献绵薄之力。

图1. 王蓉研究员在宽禁带半导体物理领域的研究。

问题导向，攻关宽禁带半导体中的杂质与缺陷难题

目前，宽禁带半导体材料的掺杂主要存在以下问题：掺杂剂固溶度受限、双极掺杂困难、原生杂质与本征缺陷的补偿效应限制宽禁带半导体导电性能的提升。针对以上问题，我们阐明了碳化硅及氮化镓中受主杂质与原生缺陷的相互作用机制，提出通过微量合金化提升掺杂杂质在氮化镓中的固溶度、采用共掺降低受主杂质在碳化硅中的离化能、利用非热力学平衡方法促进原生氢杂质钝化本征缺陷等方法提升宽禁带半导体的导电性能，为宽禁带半导体的器件应用提供了理论支撑 [Phys. Rev. Applied 11, 054021 (2019)、J. Appl. Phys. 131, 185703 (2022)、Chin. Phys. B 31, 046104 (2022)]。同时，我们发现掺杂杂质与本征缺陷除了影响宽禁带半导体的宏观电学性质外，还会在微观尺度上影响宽禁带半导体中位错的电学性质及动力学行为。在碳化硅中，我们发现了氮杂质不仅会导致碳化硅的n型导电，还会缀饰碳化硅中的位错，改变位错的电学特性，并促进位错的形核与滑移，从而降低碳化硅的硬度和弹性模量 [Phys. Rev. Applied 17, 054011 (2022)、Appl. Phys. Lett. 120, 052105 (2022)]。

宽禁带半导体在材料生长和器件制备过程中无意引入的杂质与缺陷还会影响宽禁带半导体器件的性能及可靠性。我们揭示了氮化镓基高电子迁移率晶体管中原生杂质（如氧杂质、氢杂质）与本征缺陷结合形成的缺陷复合体会在器件使役过程中发生缺陷构型的改变，导致器件的可靠性衰退[Appl. Phys. Lett. 115, 143504 (2019)、IEEE Trans. on Electron Devices 66, 5091 (2019)]；同时，我们阐明了氮化镓异质结中镓空位缀饰位错的内在物理机制及其对异质结电学性质的影响机理；基于以上物理图像，通过低注量中子辐照调控了氮化镓异质结中位错的构型，实现了氮化镓异质结电学特性的提升[Phys. Rev. Applied 14, 024039 (2020)、Appl. Phys. Lett. 117, 023501 (2020)]。

创新突破，基于能带调控探索宽禁带半导体的新应用

随着宽禁带半导体的应用向深紫外发光、超高功率电子学等领域拓展，在更宽范围内、更连续地调控宽禁带半导体的晶体结构和能带结构已成为宽禁带半导体发展的必然趋势之一。基于四元合金化的能带反向设计可满足上述发展需求。然而，由于缺乏计算四元半导体合金晶体结构和能带结构的方法，研究者无法根据实际应用条件设计四元半导体合金的组分，这严重限制了四元合金化在宽禁带半导体性能调控中的应用。为此，我们提出了计算四元半导体合金晶体结构和能带结构的新方法，阐明了四元半导体合金的性能与原子尺寸及轨道能量之间的物理关联，为四元宽禁带半导体合金的性能调控奠定了理论支撑。最后，我们利用四元合金化调控了传统宽禁带半导体硒化锌的晶体结构和能带结构，并通过能带反向设计将其应用至薄膜太阳电池，指导了薄膜太阳电池界面能带结构的优化及太阳电池效率的提升[Phys. Rev. Applied 13, 064055 (2020)、ACS Appl. Mater. Inter. 13, 15237 (2021)]。

求是创新，久久为功，助力宽禁带半导体产业发展

依托浙江大学硅材料国家重点实验室和电力电子应用国家工程研究中心，浙江大学杭州国际科创中心已建成以碳化硅为代表的宽禁带半导体全链条贯通的研究平台。秉承“求是创新”的浙大精神，以及“勤学、修德、明辨、笃实”的共同价值观，我们将在该平台继续深入探究宽禁带半导体中重要的物理问题。

科研之路道阻且长，可以针对国家重大需求，在有序推进“有组织的科研”进程中，踏踏实实做自己感兴趣的科研是一件非常幸运的事。科研就是问题叠着问题，我们坚定信心要做的，就是面对这些问题、攻坚克难、踏实解决好每一个问题。青衿之志，履践致远，我们将坚持久久为功、做长久的努力，脚踏实地地在宽禁带半导体物理领域协同攻关，为宽禁带半导体的掺杂、缺陷以及能带调控等技术的开发奠定坚实的基础，助力我国宽禁带半导体产业的发展，为科技强国贡献青春和力量。

来源：半导体学报