寬禁帶半導(dǎo)體材料具有熱導(dǎo)率高、擊穿電場(chǎng)高等特點(diǎn)，在高頻、大功率、耐高溫、抗輻照的半導(dǎo)體器件等方面具有廣泛的應(yīng)用前景。

　　在國(guó)家自然科學(xué)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(tài)物理國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(籌)研究員陳小龍及其領(lǐng)導(dǎo)的功能晶體研究與應(yīng)用中心一直致力于寬禁帶半導(dǎo)體磁性起源問題的研究。最近，他們從實(shí)驗(yàn)和理論上證明了雙空位導(dǎo)致磁性，并在實(shí)驗(yàn)上給出了直接證據(jù)，為通過(guò)缺陷工程調(diào)控寬禁帶半導(dǎo)體的磁性提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

　　更優(yōu)越的電磁特性

　　在半導(dǎo)體工業(yè)中，人們習(xí)慣地把鍺(Ge)、硅(Si)為代表的元素半導(dǎo)體材料稱為第一代半導(dǎo)體材料，把砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)為代表的化合物半導(dǎo)體材料稱為第二代半導(dǎo)體材料，而把氮化鎵(GaNP) 、碳化硅(SiC)為代表的寬禁帶半導(dǎo)體材料稱為第三代半導(dǎo)體材料。

　　“由于這些材料的帶隙更寬(禁帶寬度大于2個(gè)電子伏特)，和硅半導(dǎo)體材料相比，它們表現(xiàn)出更優(yōu)越的電磁特性，可以實(shí)現(xiàn)更多電磁功能?！标愋↓堈f(shuō)，“比如電腦的CPU運(yùn)轉(zhuǎn)起來(lái)會(huì)發(fā)熱，如果溫度過(guò)高，半導(dǎo)體材料就會(huì)失去其電磁性能，CPU就不能工作，所以CPU大多要加風(fēng)扇冷卻。普通的半導(dǎo)體硅工作環(huán)境是100攝氏度左右，而碳化硅材料可以在幾百攝氏度的環(huán)境下工作?！?/p>

　　寬禁帶半導(dǎo)體材料有與硅、砷化鎵不同的微結(jié)構(gòu)，因而具有獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)性質(zhì)。它們一般有更高的擊穿電場(chǎng)、高飽和漂移速度和高熱導(dǎo)率，小介電常數(shù)和高的電子遷移率，以及抗輻射能力強(qiáng)等特性，從而成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)，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(dǎo)體照明是一種新型的高效、節(jié)能和環(huán)保光源。它將逐步取代目前使用的大部分傳統(tǒng)光源，被稱為21世紀(jì)照明光源的革命。而氮化鎵基高效率、高亮度發(fā)光二極管(LED)的研制是實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體照明的核心技術(shù)和基礎(chǔ)。

　　DVD的光存儲(chǔ)密度與作為讀寫器件的半導(dǎo)體激光器的波長(zhǎng)的平方成反比，氮化鎵基短波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器可以把當(dāng)前使用的砷化鎵基半導(dǎo)體激光器的DVD光存儲(chǔ)密度提高4至5倍，將會(huì)成為光存儲(chǔ)和處理的主流技術(shù)。

　　高溫、高頻、高功率微波器件是無(wú)線通信、國(guó)防等領(lǐng)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(gè)數(shù)量級(jí)，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(dòng)通信系統(tǒng)的一系列難題。

　　傳統(tǒng)半導(dǎo)體物理的難解現(xiàn)象

　　電子同時(shí)具有電荷和自旋兩種屬性，半導(dǎo)體器件利用了電子的電荷屬性，大容量信息存儲(chǔ)則是基于電子的自旋屬性。稀磁半導(dǎo)體(DMS)為我們提供了同時(shí)利用電子的電荷屬性和自旋屬性的機(jī)會(huì)，有望帶來(lái)信息技術(shù)的重大變革。

　　“稀磁半導(dǎo)體是指在非磁性半導(dǎo)體材料基體中通過(guò)摻入少量磁性過(guò)渡族金屬元素或稀土金屬元素，讓半導(dǎo)體獲得鐵磁性能。它能把半導(dǎo)體的特性和磁性結(jié)合起來(lái)，能實(shí)現(xiàn)更多電磁功能。”陳小龍說(shuō)，“向半導(dǎo)體中摻入磁性元素的難易程度取決于半導(dǎo)體的性質(zhì)，向?qū)捊麕О雽?dǎo)體材料中摻入磁性元素很困難，基本上摻不進(jìn)去。但奇怪的是，寬禁帶半導(dǎo)體有時(shí)卻表現(xiàn)出磁性?！?/p>

　　無(wú)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(dǎo)體特有的許多新的科學(xué)和技術(shù)問題。從傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理到寬禁帶半導(dǎo)體物理，引入了不少新概念，也出現(xiàn)了一些傳統(tǒng)的半導(dǎo)體物理難以解釋的現(xiàn)象。這些科學(xué)問題的研究帶動(dòng)了凝聚態(tài)物理，特別是半導(dǎo)體物理的發(fā)展。因此，寬禁帶半導(dǎo)體物理、材料與器件研究具有重要的科學(xué)意義，它已在國(guó)際上發(fā)展成為一門新的交叉學(xué)科。

　　近年來(lái)，通過(guò)3d過(guò)渡族元素?fù)诫s制備具有室溫鐵磁性寬禁帶半導(dǎo)體的研究取得了很大的進(jìn)展，但其磁性的起源一直存在爭(zhēng)議。有些過(guò)渡族元素?fù)诫s的寬禁帶半導(dǎo)體的磁性被認(rèn)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(lái)越多的證據(jù)表明，磁性元素并不是導(dǎo)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(rèn)識(shí)。

　　產(chǎn)生稀磁半導(dǎo)體的新方法

　　陳小龍及其研究團(tuán)隊(duì)的前期工作表明，僅考慮磁性元素?fù)诫s不足以解釋稀磁半導(dǎo)體所表現(xiàn)出的磁性。之后，他們通過(guò)摻雜非磁性元素在碳化硅和BN中觀察到了鐵磁性(相關(guān)結(jié)果發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》)上。

　　基于以上研究結(jié)果，為了進(jìn)一步研究寬禁帶半導(dǎo)體中自旋的起源，該中心劉宇、王剛和陳小龍等與相關(guān)單位合作，對(duì)中子輻照碳化硅單晶的磁性開展了深入研究，從實(shí)驗(yàn)和理論上證明了雙空位導(dǎo)致磁性，首次在實(shí)驗(yàn)上給出了直接證據(jù)，為通過(guò)缺陷工程調(diào)控寬禁帶半導(dǎo)體的磁性提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

　　“我們只是發(fā)現(xiàn)一種產(chǎn)生稀磁半導(dǎo)體的新方法?！?陳小龍說(shuō)，“我們先從理論上發(fā)現(xiàn)這一方法，又從實(shí)驗(yàn)中證實(shí)，在寬禁帶半導(dǎo)體中產(chǎn)生空位，不用往里摻東西，也能產(chǎn)生磁性?！?/p>

　　高質(zhì)量的碳化硅單晶為研究寬禁帶半導(dǎo)體磁性的起源提供了理想的材料體系。研究人員選取高質(zhì)量、高純度碳化硅單晶，對(duì)其分別進(jìn)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(fā)生明顯變化，但中子束對(duì)晶片造成了一定的損傷。隨后，通過(guò)正電子湮沒壽命譜對(duì)樣品的缺陷種類和濃度進(jìn)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(cè)量表明，通過(guò)較低劑量的中子輻照即可在碳化硅中誘導(dǎo)出磁性，隨著輻照劑量的增加，樣品的磁性不斷增強(qiáng)，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(qiáng)度對(duì)輻照劑量具有相同的依賴關(guān)系。

　　這清楚地表明，中子輻照產(chǎn)生的雙空位導(dǎo)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(guān)的實(shí)驗(yàn)工作正在進(jìn)行中。

　　“也就是說(shuō)，通過(guò)中子輻照，可使寬禁帶半導(dǎo)材料獲得磁性。而且我們可以通過(guò)輻照時(shí)間、輻照量、中子能量大小等控制磁性強(qiáng)弱?！标愋↓堈f(shuō)。