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GaN 高电子迁移率晶体管界面工程对高温与动态偏压可靠性提升的作用机制

万紫嫣，张浩然，李霄，宁静，郝跃，张进成

物理学报, 2026, 75(8):080708

doi: 10.7498/aps.75.20251629

cstr: 32037.14.aps.75.20251629

GaN外延生长中的高位错密度与界面缺陷会加速器件可靠性退化。尤其在高温条件下，深能级缺陷被激活、载流子散射增强，使电学与射频特性进一步恶化，成为制约GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT)性能提升的关键瓶颈。为此，本研究在AlGaN/GaN异质结与衬底之间引入由范德瓦耳斯外延的BN缓冲层，并与传统外延结构进行了全面对比。在动态偏压条件下，该结构展现出显著的陷阱抑制能力，电流崩塌仅约9.2%，阈值电压漂移低至0.09 V，导通电阻与跨导基本保持稳定。在125 ℃高温测试中，器件仍表现出良好可靠性，电流崩塌约31%，阈值仅负漂约0.5 V，跨导衰减和导通电阻升幅均明显低于对照器件。在室温静态特性方面，该结构使导通电阻降低约40%，最大输出电流与跨导峰值显著提升。射频性能同样增强：f_T由48 GHz提升至90 GHz，f_max由114 GHz提升至133 GHz。结果表明，该界面优化策略可同时改善载流子输运、抑制陷阱效应并提升射频性能，为实现高频、高功率、高可靠性的GaN HEMT提供了有效路径。

图1 引入h-BN缓冲层的AlGaN/GaN HEMT器件    (a)脉冲输出特性，测试采用脉冲偏置方式，脉冲宽度为 10 μs，占空比1%；(b)脉冲转移特性，测试脉宽从200 ms减小至100 μs，占空比为1%，预偏置条件为V_GS = –9 V，V_DS = 10 V；(c)高温下输出特性；(d)高温下转移特性

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平面长腔GaN基垂直腔面发射激光器的器件制备与测试表征

朱壮壮，冯美鑫，李传杰，张书明，孙钱，杨辉

物理学报, 2026, 75(8):080401

doi: 10.7498/aps.75.20260069

cstr: 32037.14.aps.75.20260069

氮化镓(GaN)基垂直腔面发射激光器(VCSEL)因其低功耗、小发散角、圆形光束以及易于构建高密度二维阵列等优势，在新型显示和可见光通信等领域展现出巨大应用潜力。本文采用金属键合与激光剥离工艺制备了基于双介质布拉格反射镜的平面型GaN基长腔VCSEL器件，室温连续电流注入下表现出良好的热稳定性，实测热阻仅为349.9 K/W。在光泵浦测试下，器件在435.7 nm处出现明显的激射峰，半高宽约为0.45 nm。在脉冲电注入测试下，随着注入电流的增大，器件的发光光谱由多纵模逐渐演化为单纵模输出。其中，器件的阈值电流密度主要分布在45.3—107.9 kA/cm²之间，激射光谱的半高宽约为1 nm，并呈现轻微不对称性。进一步的远场测量表明光斑具有明显的双瓣结构，从侧面证实了电泵浦激射光谱中存在高阶横模叠加的特征。

图1 脉冲电流下GaN基VCSEL(电流注入孔径为15 μm)的激射特性  (a)不同电流下的光谱；(b) P-I 测试结果(插图为偏振度测试结果)；(c)，(d)不同注入电流下的激射光谱

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基于深能级瞬态谱的InGaSb/AlGaAsSb量子阱激光器能带不连续性表征

陈益航，石建美，耿峥琦，曹钧天，闻皓冉，张恩泉，李宗裔，钟云翔，张启智，吴东海，徐应强，倪海桥，杨成奥，牛智川

物理学报, 2026, 75(8):080403

doi: 10.7498/aps.75.20251699

cstr: 32037.14.aps.75.20251699

锑化物光电器件为2—4 μm中红外波段提供了小型化高效率光源解决方案，对气体检测、激光医疗等工业与民生领域技术升级具有重要推动作用。随着新型锑化物激光器的快速发展，应变作用下多元锑化物合金能带结构的精准表征成为器件设计工具迭代的关键瓶颈，尤其InGaSb/AlGaAsSb量子阱的压应变导带底与价带顶偏移量缺乏实际观测数据支撑。本文采用深能级瞬态谱(deep level transient spectroscopy，DLTS)技术结合光致发光(photoluminescence，PL)测试，研究了该量子阱的能带不连续性。DLTS测试测得导带带阶差为0.352 eV，结合PL测试结果计算出价带带阶差为0.156 eV。在DLTS谱中观测到少子信号峰，证实为量子阱在波导层中的电子陷阱；在150 K附近检测到多子信号峰，推测该信号峰与量子阱的空穴发射过程相关。本研究为锑化物光电器件的能带工程设计与缺陷调控提供了关键实验依据。

图1 脉冲电压与偏置电压下激光器中能带与载流子分布示意图

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浪涌电流应力下肖特基型p-GaN 高电子迁移率晶体管器件可靠性

彭嵘，邱彬桔，黄书婷，王龙，张波，周琦

物理学报, 2026, 75(8):080803

doi: 10.7498/aps.75.20251573

cstr: 32037.14.aps.75.20251573

氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMTs)凭借其高频、高功率密度和高效率等特性，已成为新一代电力电子领域的核心器件。然而，浪涌电流应力引起的可靠性问题仍是限制其进一步应用的重要因素。本文针对商用650 V肖特基型p-GaN栅极GaN HEMTs，系统研究了器件在第三象限工作条件下承受浪涌电流应力时的可靠性。通过实验测试获得了器件在10，7和5 ms浪涌脉宽下的浪涌电流耐受能力以及栅极漏电流变化规律。结果表明，浪涌脉宽减小可显著提升器件的浪涌电流耐受能力(最高提升约18.3%)，减弱自热效应导致的迟滞现象，并减轻浪涌电流应力造成的器件栅极漏电流退化。通过多维失效分析及TCAD器件仿真，揭示了器件在浪涌电流应力下的失效机理：强电场导致栅极肖特基接触退化并引起栅极电流急剧增大，在强电场与过大栅极电流的共同作用下诱发栅极金属电迁移。本研究揭示了肖特基型p-GaN栅极GaN HEMTs在第三象限不同脉宽浪涌电流应力下的耐受能力及栅极漏电流退化，并发现了栅极肖特基接触退化引起金属电迁移的失效机理，为高可靠性GaN器件的设计与应用提供了重要参考。

图1 不同脉宽的浪涌电流应力下  (a)未失效器件的I_peak,max和V_SD,max的统计值；(b) I_peak,max的平均值和对比10 ms脉宽的相对变化率

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Ⅲ-Ⅴ族半导体二维量子结构中载流子的自旋弛豫

王一帆，张仕雄，陈帅宇，陈子杰，杨学林，许福军，王新强，葛惟昆，沈波，唐宁

物理学报, 2026, 75(8):080705

doi: 10.7498/aps.75.20251608

cstr: 32037.14.aps.75.20251608

Ⅲ-Ⅴ族半导体二维量子结构材料制备工艺成熟，自旋弛豫易于被调控，是研制自旋电子器件的优选材料体系。本文综述了在闪锌矿GaAs基与纤锌矿GaN基二维量子结构材料体系中，利用时间分辨磁光光谱与磁输运测量研究手段，通过结构设计、电场与应力调控自旋轨道耦合及自旋弛豫的研究进展。利用上述调控手段优化结构参数，实现抑制自旋弛豫的SU(2)对称性构型，为高性能自旋电子器件设计制造提供科学依据。

图1 (a) PSH以单向自旋波的形式出现，由黑色箭头标示；(b)在[0 0 0 1]取向生长的纤锌矿GaN基量子阱中，有效磁场的面外分量始终为零

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非辐射多声子跃迁理论的发展与前沿：从物理思想到第一性原理计算

袁嘉怡，张陈，崔钰，邓惠雄

物理学报, 2026, 75(8):080701

doi: 10.7498/aps.75.20251621

cstr: 32037.14.aps.75.20251621

多声子跃迁作为固体物理中重要的电声耦合现象，深刻影响半导体材料和器件的性能。对于深能级缺陷主导的材料体系，非辐射多声子跃迁既是限制半导体光电器件性能的物理瓶颈，也是实现特定功能的必要机制。基于此，本文系统性地梳理非辐射多声子跃迁理论的发展脉络与前沿进展。1950年黄昆与Avril Rhys基于绝热模型首次建立该理论的量子力学框架，历经与静态耦合模型长达三十年的争鸣，黄昆先生最终证明二者的物理等效性，为理论的现代化发展奠定坚实基础。进入21世纪，借助第一性原理计算的强大能力和计算策略的革新，精确的“从头算”不仅深化物理认知，揭示由激发态和亚稳态主导的非辐射复合路径，同时推动理论向包含非谐效应与声子重整化等真实物理的方向演进。目前，研究正从计算跃迁速率转向模拟实时过程，通过非绝热分子动力学方法将自旋、极化子、激子以及核量子效应等物理过程纳入统一的理论模型。研究不仅为深能级缺陷的复杂动力学提供清晰的物理图像，同时为高性能半导体器件的设计和制造提供坚实的理论指导。

图1 MPT在不同物理场景中的双重作用   (a)作为太阳能电池的有害复合通道，图中展示外部光照生成_ext以及3种主要的复合途径，即辐射复合_rad、缺陷辅助的SRH复合_SRH与俄歇复合_Aug，其中 _n(蓝线)和_p (红线)分别代表电子和空穴的准费米能级；(b)作为限制GaN基LED发光效率的主要非辐射复合通道，实验上通过调控衬底层厚度得到样品P0—P24的缺陷浓度依次下降，以及对应温度的内量子效率依次升高；(c)作为固态量子比特退相干的因素之一，图中展示6 K低温测量Ce:YAG薄膜量子相干性的哈恩回波(Hahn echo)衰减；(d)作为实现固体激光器粒子数反转的关键机制，泵浦光将激活离子从基态|1〉激发到高能激发态|4〉，随后粒子通过极快速的MPT弛豫到上激光能级|3〉；同时下激光能级|2〉的粒子也通过MPT过程快速回到基态|1〉；(e)作为提高光催化效率的关键机制。通过在TiO₂中掺杂Cr，引入缺陷能级作为陷阱俘获光生空穴，从而抑制载流子的直接复合，提高光催化降解污染物的效率。

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《物理学报》2026年第8期全文链接：

https://wulixb.iphy.ac.cn/custom/2026/8

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