原文已发表在CPL Express Letters栏目

Received 10 June 2021; 

online 23 July 2021

本文首次给出了半导体中不同缺陷和杂质的掺杂性质随应变变化的统一物理图像，并在此基础上系统地提出了杂质的形成能、过渡能级以及半导体中费米钉扎能所遵循的三个基本物理准则，为最终改善半导体中掺杂瓶颈问题指出了一个有效的途径。

半导体材料在电子、光电子器件等方向的应用主要依赖于它的载流子可控性，而载流子又都是通过掺杂来实现的，所以掺杂调控对半导体的应用起着关键性的作用。一般来说半导体的可掺杂性主要受限于三个因素：（1）掺杂物的溶解度低，即形成能高；（2）高电离能限制了掺杂效率，即过渡能级深；（3）本征补偿缺陷的产生阻碍了自由载流子的进一步增加，即费米能级钉扎效应。相比于（1）和（2），因素（3）是半导体材料的本征特性，因此更难克服。在实际中，应变被广泛用来调控半导体的各种性能，包括掺杂性质。然而，理论和实验发现不同类型半导体中不同杂质或缺陷对应变的反应可以是截然不同的。这些复杂甚至看上去有些相互矛盾的掺杂现象长期以来令人费解，学术界也缺乏一个普适的理论机制去统一解释这些表象。

最近，北京计算科学研究中心黄兵课题组和魏苏淮教授合作，首次给出了一个简单、通用的理论模型来阐述不同缺陷和杂质在应变条件下呈现出的迥异掺杂行为和它们遵循的统一物理规律。特别是，他们发现了缺陷引入的局部体积的变化（ΔV）这一关键物理量在不同电荷态下的演化规律，进而揭示了缺陷形成能，电离能和费米钉扎能在应变下的变化规律和它们所遵循的三个普适的物理准则。这些物理准则可以用来有效地调控不同半导体中掺杂行为。做为例子，他们系统地研究了在GaN、SiC、ZnTe等半导体中的掺杂行为的调控，证明了理论模型的有效性。

由于在生长或应用过程中，应变效应广泛存在于不同的半导体薄膜中，此项理论研究为提高半导体的掺杂效率而选择“正确”的应变效应或者衬底晶格提供了理论依据。