Nature：鎂摻雜氮化鎵新見解

一、【科學背景】 ?

氮化鎵(GaN)因其特有的物理屬性，如大的直接帶隙、高的量子效率和低的暗電流，已成為光電器件領域的研究焦點。通過摻雜替代鎂（Mg）原子可以增加其空穴濃度，獲得p型GaN。然而，目前GaN和Mg之間的相互作用的細節仍然不清楚。

二、【創新成果】

近日，日本名古屋大學研究人員觀察到通過在GaN上退火金屬Mg膜可以在大氣環境下自發形成Mg插層的GaN超晶格（MiGs）。據作者所知，這標志著首次將二維金屬插層到半導體體相中。Mg單層插入到幾個六角GaN單層之間，這一過程是間隙插層，導致垂直于間隙層的顯著單軸壓縮應變。因此，Mg插層的GaN超晶格中的GaN層表現出超過-10%的異常彈性應變（相當于超過20 GPa的應力），是薄膜材料中記錄的最高應變之一。應變改變了電子能帶結構，并大大增強了壓縮方向上的空穴傳輸。此外，Mg片誘導了GaN極性的周期性轉變，產生了由極化場誘導的凈電荷。這些特性為半導體摻雜和電導增強，以及納米材料和金屬-半導體超晶格的彈性應變工程提供了新的見解。

圖1?Mg插層的GaN超晶格。（a-c）高角度環形暗場掃描透射電子顯微鏡(HAADF-STEM)圖像逐步放大，展示了2D-Mg插層GaN超晶格的典型結構。（d）集成微分相差 （iDPC）-STEM圖像（c區域紅框內的放大視圖），顯示了超晶格的重復單元結構，其中Ga、N和Mg原子清晰可見。（e）來自d的超晶格結構示意圖，詳細說明了組成原子的位置。（f）原子級分辨的EDS元素圖穿過超晶格的局部區域。強度峰表示每種元素的原子平面的相對位置。這個區域在HAADF-STEM圖像（頂部）中展示，箭頭標記了線掃描方向。（g）與f相同區域的原子級分辨的EDS元素圖。??2023 Springer Nature

二維Mg層自發插入六方GaN，形成超晶格結構，HAADF-STEM圖像揭示了Mg插GaN超晶格 (MiGs) 結構的復雜細節。iDPC-STEM成像和EDS證實了該二維插層完全由Mg組成。

圖2由2D-Mg插層片誘導的極性轉變。HAADF-STEM（a）和iDPC-STEM（b）圖像顯示了沿[1120]晶區軸（a軸）同一區域垂直對齊的2D-Mg片的邊緣。同樣沿著[1120]晶區軸（a軸）放大的HAADF-STEM（c）和iDPC-STEM（d）圖像。（e）iDPC-STEM圖像原子級地解析了GaN的單層，展示了幾個原子上的極性逐漸轉變。（f）示意圖展示了一對2D-Mg片邊緣的區域，強調了沿Mg片垂直和平行方向發生的極性轉變。??2023 Springer Nature

圖3來自間隙插層的MiGs納米結構中的高單軸壓縮應變。（a）非van der Waals固體中原子片插層的三種情況的示意圖，由MAX（M是早期過渡金屬，A是13或14族元素，X是碳和/或氮）相（左）、Guinier-Preston區（中）和MiGs結構（右）表示。（b）具有原子分辨率的HAADF-STEM圖像，顯示了MiGs結構的一個典型區域以及旁邊的空隙。（c）應變圖。（d）c中的平均晶格常數和應變值的總結。??2023 Springer Nature

在MiGs配置中，2D-Mg為間隙插入結構。GaN 原子平面的連續性在間隙插入中得以保留。當一對Mg片之間的GaN原子平面數量減少到六個時，六邊形GaN中的單軸應變超過??12%。鑒于GaN 的高彈性模量（約?295 GPa），彈性應變會產生超過20 GPa。

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圖4 MiGs在n型和p型GaN上的電學特性。（a）電容-電壓特性（1/C2–V）曲線。（b）從1/C2–V圖中提取的體摻雜濃度作為距表面深度的函數。（c）STEM圖像逐步放大的視圖表明，最初的p型GaN外延層，在500?°C下用Mg退火10分鐘后，表面變得粗糙但沒有Mg插層的跡象。（d）STEM圖像逐步放大的視圖表明，u-GaN（非故意摻雜，半絕緣GaN）/n-GaN基底上的p型GaN外延層，在550?°C下用Mg退火10分鐘后，表面變得粗糙，具有Mg插層特征，表明MiGs結構的早期形成。（e）電流-電壓特性（I–V）曲線。??2023 Springer Nature

作者評估了沿c軸增強的空穴傳輸：在加入MiGs后，GaN的光導率增加了六倍。此外，作者證明了加入MiGs結構會改變 GaN 的表面電位。在現有的p型GaN上引入MiG可以大大降低接觸電阻率。MiGs結構中增強的空穴傳輸也極大地促進了GaN p-n結二極管和p型GaN 肖特基勢壘二極管性能的提升，凸顯了這些納米結構在廣泛電子設備應用中的巨大技術潛力。

該研究實現了一種高性能p 型GaN，以“Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices”為題發表在國際頂級期刊Nature上，引起了相關領域研究人員熱議。

三、【科學啟迪】

綜上所述，本文首次觀測到二維金屬Mg插層嵌入GaN體半導體中，形成了具有異常彈性應變的超晶格結構。該發現不僅為理解GaN與Mg之間的相互作用提供了新的視角，也為半導體摻雜、電導增強以及納米材料的彈性應變工程提供了重要的科學依據。此外，研究還發現，通過退火處理，可在GaN中形成具有高彈性應變的MiGs結構，這種應變改變了電子能帶結構，并顯著增強了空穴的傳輸性能。這些發現有望推動高性能電子器件的發展，特別是在提高半導體器件的電導和載流子遷移率方面具有重要的應用潛力。

原文詳情：Jia Wang, Wentao Cai, Weifang Lu, Shun Lu, Emi Kano, Verdad C. Agulto, Biplab Sarkar, Hirotaka Watanabe, Nobuyuki Ikarashi, Toshiyuki Iwamoto, Makoto Nakajima, Yoshio Honda & Hiroshi Amano. Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07513-x

本文由景行撰稿