研究热点

1 氮化物半导体极化的重新标定

氮化镓（GaN）及其合金是第三代半导体的核心材料，广泛用于新型显示、电力电子、射频通信、生物医疗等领域。纤锌矿氮化物半导体具有强自发极化与压电极化，可在异质结界面产生束缚电荷，诱导形成二维电子气或二维空穴气。因此，极化工程是GaN基半导体器件设计与创新的重要物理基础。

然而，长期以来氮化物半导体的极化调控面临一个关键问题。极化的大小与方向，以及它与晶体极性的对应关系，在不同参考结构和符号约定下并不统一，导致界面电荷符号和能带结构描述不自洽。近年来，纤锌矿氮化物铁电半导体的发展，如钪铝氮（ScAlN），使极化从“静态常数”进一步演变为“可编程自由度”，上述问题对结构设计、器件物理的影响更加突出。

北京大学王平研究员、王新强教授团队在最新出版的《半导体学报(英文)》2026年第6期发表Research Highlights文章“Re-benchmarking polarization in wurtzite nitride semiconductors“，阐述了氮化物半导体极化重新标定的重要性。该工作，一方面，从理论层面指出参考结构与符号约定必须统一，才能给出可比较、可迁移的极化基准；另一方面，结合近期实验进展，把极化大小与取向锚定在可检验的实验基础上，使极化回归为可传递的材料基准。研究表明，在统一极化框架下可以更清晰地理解GaN异质结构中界面束缚电荷与二维电子/空穴气的形成规律，及铁电极化对异质界面电荷分布和电学响应的调控机制。这为传统氮化物半导体异质结设计、以及氮化物铁电半导体与GaN、Si等成熟半导体平台的异质集成提供了更可靠的物理语言与设计依据，有望提升极化工程的准确性，支撑高性能器件研制。此外，统一极化标定，将进一步促进氮化物铁电半导体“可编程极化”器件的发展，并拓展其在高密度存储、存内计算、神经形态模拟和感存算一体化等新兴领域的应用。

图1. 纤锌矿氮化物半导体的极化标定。（a）氮化物半导体的典型晶体结构。（b）现代极化理论预测的多值形式极化。（c）不同晶相氮化物半导体在金属极性取向下的形式极化。（d）金属极性与氮极性纤锌矿结构ScAlN的局域极化测量结果。（e）铁电ScAlN补偿电位移场（可近似代表极化）以及电流密度随外加电场的变化关系。

文章信息：

Re-benchmarking polarization in wurtzite nitride semiconductors 

Ping Wang, Haotian Ye, Rui Wang, Tao Wang, Fang Liu, Zhaoying Chen, Ding Wang, Bo Shen, and Xinqiang Wang

J. Semicond. 2026, 47: 060201 DOI: 10.1088/1674-4926/26020013

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2 固态单光子源的材料平台：宽禁带半导体

单光子源是可扩展量子信息技术的核心单元，广泛应用于量子通信、量子密钥分发、量子计算和量子传感等领域。固态材料中的色心（即光学活性点缺陷）因其具备类似单原子的发光特性，能够实现高效率、高纯度且高不可区分性的单光子发射，加之其固态特性使之易于集成到可扩展的量子光子器件中，从而成为极具前景的单光子源实现路径。在各类固态材料中，宽禁带半导体凭借其在室温甚至更高温度下的稳定工作能力、宽光谱可调性以及与成熟半导体工艺的高度兼容性，脱颖而出，成为下一代单光子发射器极具竞争力的候选平台。

尽管单光子发射已在金刚石、碳化硅等材料中取得了标志性进展，但该领域仍面临一系列亟待解决的挑战。作为先驱材料的金刚石，因强声子耦合导致发射光谱较宽，且缺乏通信波段光源。在氮化物半导体中，虽已实现室温单光子发射，但许多色心缺陷的具体物理起源尚不明确，宽泛的零声子线也阻碍了全同单光子源的制备。此外，如何在不影响自旋相干性的前提下，进一步提升量子发射器的发光纯度、光学稳定性，并实现其与大规模光子集成电路的高效耦合，依然是当前研究的重要课题。

近日，北京工业大学孟军华教授课题组与中国科学院半导体研究所张兴旺研究员课题组合作，系统总结了基于宽禁带半导体的固态单光子源的研究进展。该综述全面探讨了多种宽禁带半导体在集成量子光子电路中的应用潜力，总结了金刚石作为开创性平台的演进历程，并阐述了碳化硅因其成熟的晶圆级加工工艺和通信波段发射能力，在室温自旋量子比特与光子集成结构中的重要应用。重点介绍了氮化物半导体材料（如GaN、AlN、Si₃N₄、h-BN等）借助成熟的制备工艺，在实现经济、高效、室温单光子源方面的优势。文章还特别引入了新兴的超宽禁带半导体β相氧化镓，介绍了其丰富的本征缺陷及近期首次在室温下实现的高纯度、高亮度单光子发射，证明了其成为新型缺陷基单光子发射器理想平台的潜力。

宽禁带半导体传统上广泛应用于耐高温、高频、大功率电子器件和紫外光电器件领域，而室温单光子发射现象的发现，成功为其在量子技术领域的应用开辟了全新赛道。展望未来，随着新材料的引入和微观结构缺陷机制的持续揭示，宽禁带半导体有望成为构建可扩展、实用化量子信息网络的基石。

图 1. （a）GaN中单光子发射体的室温光谱。（b）集成量子发射体的可扩展蓝宝石基AlN光子集成电路。（c）耦合到波导模式的单光子发射观测结果。（d）h-BN中单光子源的二阶相关函数g²(τ)。（e）带有h-BN覆盖层的量子发射体的光学稳定性测试。（f）β-Ga₂O₃中V_GaⅠ-V_OⅢ缺陷的Kohn-Sham能级。

该文章以题为“Material platforms for solid-state single-photon sources: wide bandgap semiconductors”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Junhua Meng, Yiming Shi, and Xingwang Zhang

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