近日，浙江大学陆赟豪教授课题组联合硅及先进半导体材料全国重点实验室、材料科学与工程学院杨德仁院士、马向阳教授团队在《物理评论快报》（Physical Review Letters 137, 146101 (2026)）发表研究，首次实验证实：高浓度空穴掺杂是硅压力诱导相变路径的关键调控因素。研究发现，空穴会优先局域在卸载过程中形成的三配位硅原子周围，动态稳定这些畸变结构，从而不可逆地破坏长程有序，显著促进硅的非晶化。该成果将空穴从传统意义上的“电荷载流子”提升为高压下共价半导体结构稳定性的“主动介导者”。

从外部条件到本征电子性质：打开新问题

硅在约10—13 GPa静水压下会从金刚石立方结构（Si-I）转变为金属性β-tin相（Si-II）。卸载时，Si-II可转变为Si-XII、Si-III等亚稳晶态，也可能非晶化形成α-Si，具体路径与卸载速率等条件密切相关。过去几十年，研究主要关注温度、载荷、压头几何、卸载速率等外部因素，而掺杂类型与浓度等材料本征电子性质对相变路径的影响长期未被系统揭示。

微米压痕+微拉曼：统计30个压痕，看到空穴效应

研究团队采用更贴近工业晶圆切片、研磨、抛光等接触载荷场景的微米压痕，结合微拉曼光谱，对多种掺杂硅样品各统计30个压痕，定义非晶化概率Pα−SiPα−Si。结果显示，重硼掺杂硅的非晶化概率约60%，而轻硼掺杂硅仅约20%。

为排除硼掺杂引起的宏观晶格拉伸应变影响，团队制备了B/Ge共掺样品。Ge共价半径较大，可补偿B引入的拉伸应变，但非晶化概率仍保持在约60%。这表明，促进非晶化的主导因素并非宏观应变，而是空穴浓度。

进一步，B/P共掺补偿空穴后，非晶化概率降至约33%和30%；n型重磷掺杂硅非晶化概率最低，仅约23%。高电子掺杂并未促进非晶化，说明高浓度空穴才是关键。

机器学习势模拟：空穴如何“锁住”三配位硅

为揭示原子机制，团队利用机器学习原子间势开展分子动力学模拟，达到密度泛函理论级精度。模拟显示，随着空穴浓度增加，非晶硅原子分数与三配位（CN=3）硅原子数量同步上升。空穴优先局域在CN=3硅原子周围，使其费米能级附近态密度展宽；电子缺失原子也从四配位为主转为三配位为主。

在100皮秒等压模拟中，无空穴时，追踪硅原子的配位数在CN=3与CN=4之间可逆波动；而在0.1%空穴体系中，配位数从4到3发生不可逆转变，键长差稳定在较大值，序参量分布从约0.05移至0.45。这提供了直接的原子级动力学证据：空穴动态稳定三配位硅原子，推动长程有序不可逆坍塌，最终促进非晶化。

跨材料验证：Ge、SiC同样观察到，GaAs呈较弱一致趋势

除硅外，团队还在锗（Ge）和碳化硅（SiC）中观察到空穴促进非晶化的现象；在砷化镓（GaAs）中，趋势较弱但一致。由于Ge与Si共享金刚石立方结构和类似高压相变路径，相关机制可能具有借鉴意义；SiC和GaAs结构及相变动力学差异较大，具体原子机制可能有所不同。

意义：为半导体高压行为与晶圆加工提供新视角

该研究建立了空穴浓度与压力诱导相变路径之间的直接联系，揭示了空穴在共价半导体结构动力学中的隐藏角色。对于晶圆切片、研磨、抛光等涉及高压接触加载的工业过程，掺杂工程或为调控相变与加工损伤提供新思路。同时，这项工作也拓展了人们对半导体中电子与结构相互作用的传统认知。该研究工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金和浙江省自然科学基金的支持。物理学院钟淑玲博士、石锐研究员为论文的共同第一作者。马向阳教授、陆赟豪教授和杨德仁院士为论文的共同通讯作者。上海高压科学与技术高等研究中心的曾徵丹研究员和宁波东方理工大学的张春一研究员参与了该项研究。

论文链接DOI：https://doi.org/10.1103/v636-pcxy