这张图片显示了每个原子的应力分布（A），以及纤锌矿GaN中方向上的位错（B）。来源：塞萨洛尼基亚里士多德大学物理系

未来半导体技术的提升，除了进一步榨取摩尔定律在制造工艺上最后一点“剩余价值”外，寻找硅（Si）以外新一代的半导体材料，也就成了一个重要方向。在这个过程中，氮化镓（GaN）近年来作为一个高频词汇，进入了人们的视野。

随着硅基半导体逐渐达到其性能极限，氮化镓（GaN）正成为推动发光二极管（LED）技术、高频晶体管和光伏器件的下一代潜在材料。GaN属于第三代高大禁带宽度的半导体材料，和第一代的Si以及第二代的GaAs等前辈相比，其在特性上优势突出，然而由于异质外延存在晶格失配，氮化镓晶体有着明显的缺陷，阻碍了相关技术的发展。

这种材料退化是由于原子在晶格结构中发生位移时形成了位错。当多个位错同时从剪切力中移动时，沿晶格平面的键拉伸最终导致断裂。当原子重新排列，改变了它们原有的键时，一些晶格保持完整，而另一些则永久变形，这其中只有一半的平面就位。如果剪切力足够大，位错将沿着材料知道边缘才能终止。

在不同材料的衬底上沉积GaN使问题变得更加糟糕，因为晶格结构通常对不齐。这就是为什么加深对原子水平上形成GaN缺陷的理解，可以提高使用这种材料制成的器件的性能。

现在，一组研究人员通过研究确定了GaN晶格的六个核心构型，他们朝着这个目标迈出了重要的一步。在《应用物理学杂志》上，他们发表了研究结果。

“我们的目标是识别、处理和表征这些位错，以此来充分了解GaN缺陷的影响，以便我们找到具体的方法来优化这种材料，”塞萨洛尼基亚里士多德大学的研究者Joseph Kioseoglou和该论文的作者这么说道。

还有一些问题是GaN内在的性质，导致了不必要的影响，如颜色转移的发射GaN基LED。据Kioseoglou说，这可能通过开发不同的发展方向来解决这个问题。

研究人员利用分子动力学和密度泛函理论模拟计算，确定了GaN中A型基底边缘位错沿方向的结构和电子性质。沿着这一方向的位错在半极性生长方向中非常常见。

这项研究是基于不同核心配置的三个模型。第一个由三个氮原子和一个镓（Ga）原子组成的极性镓；第二个原子具有四个氮原子和两个镓原子，第三个包含两个氮原子和两个镓核关联原子。使用大约15,000个原子，对每种配置进行分子动力学计算。

最终，研究人员发现，与Ga极性结构相比，N极性结构在带隙中表现出更多的状态，N极性结构呈现出了更小的带隙值。

Kioseoglou说：“更小的带隙值和它们内部的状态之间有联系。”这些发现潜在地证明氮在GaN基器件中，是作为位错相关效应的主要贡献者。