砷化镓材料中EL2缺陷的“邹氏模型”

  半导体材料的物理性质(如载流子迁移率、能级深度和密度以及俘获截面等)主要与材料中点缺陷本性有关。物理学家通常采用物理手段(如电子显微镜、X射线衍射、深能级瞬态能谱、光电子能谱、红外吸收谱等)进行研究。作为一名冶金物理化学大师,邹元爔转向半导体领域后,则认为物理学虽然能对固体中某些形态的缺陷直接加以观察,但对于半导体材料中深能级点缺陷,尤其是本征点缺陷,单纯的物理方法具有一定的局限性。物理化学方法可弥补它的不足。运用他所擅长的金属材料中空位和间隙以及化合物半导体中的反位缺陷,与材料组元成分、位错、退火温度和生长压力等联系在一起,从反应条件的变化来考察半导体材料的电学和光学性质等变化,从而推测影响这些点缺陷的本性,及其与其它缺陷相互间反应的规律。这就是邹先生所开创的半导体物理化学方法,1987年荣获国家自然科学三等奖。然而,国内外一些物理学家长期不能理解,信它的少,笑它的多,但他仍顽强工作,要用实验来证实它的科学性,始终表现出一个科学家勇于追求真理的素质。

 

  1947年邹元爔在美国获得冶金学科学博士学位后回国,19502月应聘到中国科学院工学实验馆(上海冶金所前身)任研究员,历任室主任、副所长、所长和名誉所长等职。1953年起,他和周仁等进行包头含氟铁矿高炉冶炼研究,做出了炼铁史上开拓性成果。同时,邹元爔还发明了从包头高炉渣中提炼硅铁稀土合金的工艺,为我国稀土合金应用创造了条件。1957年,他又与徐元森等一起对攀枝花含钒钛铁矿高炉冶炼问题进行全面研究,创造风口吹炼新技术,为攀枝花钢铁公司的建立奠定了基础。60年代开始,根据国家需要邹元爔转向半导体材料和有关纯金属及其物理化学研究,一些业内同行表示可惜。文革期间,邹元爔又身遭非法迫害,但他忍辱负重,矢志不忘事业。19693月他在牛棚被关押期间写下了一百多页“关于砷化镓半导体科学实验工作发展趋势的设想和建议”等材料,以防万一发生不测时可供后人研究参考。其中核心内容后来归纳为砷化镓材料中三个关键问题,即所谓迁移率刽子手、未知受主和本征结构缺陷(不同于杂质缺陷)。在邹先生领导下,施惠英等研究迁移率刽子手;周继程等负责未知受主(AB能级);我则主要研究深能级本征结构缺陷。

 

  由于我在硕士期间曾研究砷化镓气相外延时涉及到深能级结构缺陷的衬底外扩散规律,邹老师希望我在攻读博士学位期间进一步研究砷化镓材料中最主要深能级缺陷(命名为“EL2”)的本性。当时砷化镓集成电路正在国际上兴起,对衬底材料的半绝缘性能要求很高,而学术界发现有一种奇怪的结构缺陷,具有前所未有的许多独特性质,只要加以利用和控制,无需掺杂便可使砷化镓材料显示优良的半绝缘性能来为器件工艺服务,因此引起世界上许多著名实验学家和理论学家的极大兴趣。1980年邹先生根据砷化镓中可能存在的点缺陷之间相互反应已经推测出EL2缺陷是砷占镓位(反位)缺陷与镓空位和砷空位结合的三元络合物。考虑到我是我所第一个博士生,邹先生向著名物理学家谢希德先生和所学术委员会主任吴自良先生征求了他们对我的博士论文题目的意见,谢先生建议物理化学方法结合电子顺磁共振手段对EL2的缺陷本性进行鉴别可以使人更加信服,因为EPR是鉴别材料点缺陷本性最有效的手段之一。吴自良先生则认为这篇论文的关键是对EPR谱的识别。

 

  中科院上海原子核所有一台进口的EPR设备,邹先生亲自陪我找该所领导,后因只能用于77K(液氮温度),灵敏度不够。我们向章宏睿借了一只低温(气氦)样品台,经改装也不行。邹先生立即向法国路易斯大学原子核研究所Schwab教授救助,他们非常乐意为我们进行液氦温度(4K)条件下的EPR测试,可以得到砷占镓位反位原子(AsGa)非常精细的特征四线谱EPRAsGa”。很快,Schwab教授寄来了EPRAsGa”四线谱宽度和线间距(hf常数)随退火温度变化的一组数据。我立即根据EPR原理进行量子力学计算,指出随温度升高该谱的谱线宽度和线间距的变化恰好反映了反位原子AsGa与周围砷空位VAs和镓空位VGa形成络合物的物理化学过程(后来有国外期刊上称为“Wang’s Theory”)。他们接到我的回信后,非常高兴地表示他们的论文发表可以升级了。接着,我们又请他们检测了EPRAsGa”强度随LEC晶体径向分布和随晶体变形度的变化,并且与晶体内EL2浓度进行比较,阐明了EPRAsGa”缺陷与EL2深能级缺陷之间的联系和区别,从而提出了EL2缺陷的“应变模型生成机理”,为我所莫培根和吴巨开发LEF方法生长无位错非掺半绝缘砷化镓单晶提供了理论依据。由此将邹先生冶金物理化学原理对晶体内点缺陷间随化学计量比、生长温度和体内应力的反应变化的一些预测可以用非常形象的原子移动微观图像表示出来。当时邹先生因心脏病长期休息,所学术委员会将我的论文分别给我所陈念贻研究员和谢雷鸣研究员评审,他们都认为可以作为博士论文答辩。当我们将理论计算结果与EPR实验对照的结果向国内外学术界公布后,受到广泛关注。北京半导体所林兰英学部委员主动要求带一位姓韩的研究生参加我博士论文的答辩。邹先生将我的量子力学理论计算专程送给正在从事EPR课题的北京大学秦国刚院士审核,秦教授书面意见是“符合本领域博士水平”。1986年我顺利通过了由谢希德学部委员为首的博士答辩委员会的答辩。

 

  19872月,我们又收到美国化合物半导体权威Van Vechten教授主动寄来的“Atomic Model for EL2 in GaAs”论文手稿(翌月发表在《Phys. Rew. B》杂志)。他们表示与我们的观点一致,即EL2缺陷构型是AsGaVGaVAs三元络合物,并且特别指出邹元爔先生采用的冶金物理化学研究方法是鉴别半导体材料中点缺陷本性非常有效的手段。由于当时我们又进行了EPRAsGa”的光猝灭实验,对于EL2缺陷三元络合物构型排列有了更深入的认识。我们认为EL2缺陷中砷空位VAs应该位于反位原子AsGa的最邻近位置,而Van Vechten则认为AsGa的最邻近位置被4As原子占据着。由于邹先生于1987320日去世,我着笔将研究结果整理撰文,在7月《Phys. Rew. B》杂志发表了“Comment on Atomic Model for EL2 in GaAs”。Van Vechten见文后再次在《Phys. Rew. B》杂志发表论文,表示更加同意我们的EL2缺陷模型,而且还为我们补充了另外几个实验例证。

 

  在邹先生去世后,我被调到嘉定中试部搞开发工作。我当时没有科研经费,但法国Schwab教授团队主动来信希望与我继续合作开展更深入的EL2邹氏模型理论工作。国际刊物所需的费用全由他们支付,以我名义投向国际学术会议的论文由Schwab教授代读后将评论意见反馈给我。我们先后在国际学术会议和杂志上《Phys. Rev. B》、《J. Appl. Phys.》、《Phys. Letters》、《国际半导体缺陷学术会议》和《国际砷化镓学术会议》连续合作发表了13篇学术论文,在国内《物理学报》、《电子学报》、《半导体学报》、《物理学进展》等学术刊物上也发表了系列学术论文。我们还陆续收到法国、德国、日本、苏联等14个国家科学家来信和论文表示赞同我们的观点。1989年谢希德先生在国际半导体缺陷学术会议上撰文“邹元爔和汪光裕的EL2缺陷模型是半导体物理学的一个新进展”。1990年师昌绪先生亲自给我来信表示,“邹先生的缺陷理论已在国际学术界占有一席之地,建议再次申请国家自然科学奖”。我没有科研经费召开科技评审会,师昌绪先生和谢希德先生很高兴给我写了推荐意见,由于中科院北京半导体所、上海交通大学和北京有色金属研究院参加过我的博士论文答辩会,我也请他们写了评审意见。1991年我们的砷化镓中EL2缺陷的“邹氏模型”终于获得了中国科学院自然科学一等奖(冶金所首次)。为此,法国Schwab教授自费专程到上海访问我所。1991年我被日本学术振兴会邀请到日本讲学,翌年我晋升为正研究员。1995年又被中科院提名推荐为国家自然科学一等奖。

 

  邹氏模型是冶金物理化学与先进物理测试和量子力学理论计算相结合,是改革开放后从中外科技交流走向课题合作的成功案例,凝结着邹老师后半生的心血,也是我所在传统冶金物理化学这颗“老树”上开出的一朵“新花”。

    

  (作者:汪光裕  原嘉定中试部副主任、研究员)




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