研究背景—0D-Mg（1989年）

1989年，名古屋大學(xué)的赤崎勇和天野浩成功利用鎂（Mg）原子置換Ga位（0D-Mg摻雜），實現(xiàn)了GaN的p型摻雜，開發(fā)了藍光LED，引領(lǐng)世界走向LED照明時代。2014年，因表彰藍色LED的發(fā)明，赤崎勇、天野浩和中村修二分享了諾貝爾物理學(xué)獎。時至今日，Mg仍是唯一已知的GaN的p型摻雜元素。然而，人們對于GaN中的Mg原子擴散行為和摻雜激活機制，特別是Mg在GaN晶格中的溶解度低和易析出的特性，仍缺乏足夠深入的理解，這限制了p型GaN在光電子和電力電子器件中發(fā)揮應(yīng)有的卓越性能。 

研究亮點—2D-Mg（2024年）

近日，名古屋大學(xué)天野浩團隊發(fā)現(xiàn)，在GaN晶圓上沉積金屬Mg后退火，可以在GaN表面形成極其獨特的單原子層Mg周期性插入GaN的現(xiàn)象。研究人員稱其為2D-Mg嵌入GaN式超晶格（MiGs）結(jié)構(gòu)。這項新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，涉及了半導(dǎo)體材料新型摻雜機制和薄膜材料新型形變機制。該研究于《Nature》6月5日線上刊載。

圖1. 2D-Mg嵌入GaN式超晶格（MiGs）的微觀結(jié)構(gòu)照片和原子示意圖。@nature

利用掃描透射電子顯微成像技術(shù)，研究人員觀察到由GaN和Mg的原子層交替排列的超晶格結(jié)構(gòu)。如圖1所示，自左向右，通過依次放大的原子分辨級顯微圖像，2D-Mg嵌入GaN式超晶格（MiGs）結(jié)構(gòu)得以展示?；诜e分差分相位襯度技術(shù)(iDPC)的圖像（右2）清晰展現(xiàn)了單元重復(fù)結(jié)構(gòu)，其原子示意圖如圖（右1）所示。

圖2. GaN和Mg的物理性質(zhì)對比。@nature

研究人員通過查閱GaN和Mg的晶格常數(shù)發(fā)現(xiàn)（圖二），雖然GaN是一種由離子健和共價鍵混合構(gòu)成的寬禁帶半導(dǎo)體，Mg是一種由金屬鍵構(gòu)成的金屬材料，兩者看似迥異，卻具有相同的六方密堆積晶胞結(jié)構(gòu)，且晶胞常數(shù)差異可以忽略不計。GaN和Mg的晶格結(jié)構(gòu)“完美匹配”—這樣罕見的自然界的巧合（“a true gift of nature”），大大降低了該超晶格自發(fā)形成所需的能量，從而在其自發(fā)形成中起到了關(guān)鍵作用。同樣，基于相同原因（GaN和Mg的完美晶格匹配），可以解釋Mg在GaN中易于形成共格析出相的傾向，從而解開了Mg在GaN晶格中的溶解度低和易析出的特性之謎。

圖3. 2D-Mg摻雜的機理示意圖。@nature

此外， 2D-Mg原子面可以實現(xiàn)GaN的Ga極性和N極性的反轉(zhuǎn)。如圖3所示，這樣的極性反轉(zhuǎn)，由可看清N原子的iDPC顯微成像照片得到證實。如示意圖所示，在一對2D-Mg之間的一列GaN從上向下，從N極性向Ga極性逐漸過渡。這樣的極性（包括自發(fā)極化和壓電極化）變化可以誘生空間電荷，其原理類似漸變組分AlGaN中空間電荷的產(chǎn)生。因此，2D-Mg原子面的周期性插入，引發(fā)了周期性GaN的極性漸變，從而產(chǎn)生空間負(fù)電荷，并可能產(chǎn)生空穴。因此， 雖然2D-Mg中的Mg是間隙型雜質(zhì)原子，不能直接電離產(chǎn)生空穴，卻可以通過調(diào)控GaN的極性，間接產(chǎn)生空間電荷和空穴。這樣的新型“2D-Mg”摻雜現(xiàn)象，與傳統(tǒng)的0D-Mg摻雜機制不同。

圖4. MiGs結(jié)構(gòu)中GaN超過10%的彈性形變觀測—間隙型嵌入模式的獨特特征。 @nature

另外，如圖4所示，同一顯微照片中未嵌入?yún)^(qū)（參考區(qū)）和嵌入?yún)^(qū)（形變區(qū)）的對比，證實了GaN在嵌入?yún)^(qū)（MiGs結(jié)構(gòu)）的超高形變—GaN的面外彈性壓縮形變超過了-10%。這樣高形變的觀測，在材料界尤其是二維及三維材料中十分罕見，此前觀測到超過10%的彈性形變，是在硅或銅的一維納米線材料中。同時，因為氮化鎵具有遠高于硅或銅的的彈性模量（>200 GPa），這樣高于10%的彈性形變對應(yīng)的彈性應(yīng)力值超過了20 GPa，也創(chuàng)造了實驗觀測彈性應(yīng)力的記錄。

半導(dǎo)體材料的彈性形變會帶來能帶結(jié)構(gòu)的變化。對于GaN而言，其價帶結(jié)構(gòu)由三組能帶組成：重空穴帶（HO）、輕空穴帶(LO)和自旋劈裂帶(SO)。當(dāng)GaN沿c軸的壓縮形變超過一定數(shù)值后，理論預(yù)測，劈裂帶將會超過重空穴帶和輕空穴帶，上升至價帶頂，從而發(fā)生晶場分裂能的反轉(zhuǎn)。因為劈裂帶空穴沿c軸方向的有效質(zhì)量，僅為重空穴的1/10左右。這意味著，在足夠的壓縮形變下，GaN沿壓縮方向的空穴遷移率可增加數(shù)倍，同時p型氮化鎵沿該方向的電導(dǎo)率也可提升數(shù)倍。

作為電子器件的應(yīng)用實例（圖5），在低摻n型GaN表面構(gòu)建MiGs結(jié)構(gòu)，可以調(diào)高肖特基勢壘的高度，這可以作為2D-Mg誘生空間負(fù)電荷的有力證據(jù)；同時，在p型GaN表面構(gòu)建MiGs結(jié)構(gòu)，可以很好實現(xiàn)p型GaN的歐姆接觸，后者是p型GaN的一個瓶頸問題。

圖5 MiGs結(jié)構(gòu)對于GaN的肖特基勢壘和歐姆接觸的調(diào)控。@nature

【研究展望】

在2014年諾貝爾物理學(xué)獎授予GaN研究的十周年之際，MiGs結(jié)構(gòu)和2D-Mg摻雜機制，為半導(dǎo)體摻雜機制和材料科學(xué)的基礎(chǔ)研究提供了新題材。另外，其簡單低廉的合成方法，有效提升了GaN基電子器件的性能，具有可觀的產(chǎn)業(yè)價值。最后，從自然界自發(fā)形成的MiGs結(jié)構(gòu)的初步觀測，到均勻分布MiGs結(jié)構(gòu)的精確人工合成，是未來相關(guān)研究的方向。

   【文章信息】

文章題目：Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices

網(wǎng)頁閱讀版：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07513-x

PDF閱讀版：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07513-x.pdf

第一作者兼共同通訊作者：王 嘉（名古屋大學(xué)）

最后作者兼共同通訊作者：天野浩（名古屋大學(xué)）

其他作者：蔡文韜（名古屋大學(xué)）、盧衛(wèi)芳（名城大學(xué)，現(xiàn)單位：廈門大學(xué)）、陸 順（名古屋大學(xué)）、狩野絵美（名古屋大學(xué)）、Verdad C. Agulto（大阪大學(xué)）、Biplab Sarkar（名古屋大學(xué)，現(xiàn)單位：印度理工學(xué)院）、渡邊浩崇（名古屋大學(xué)）、五十嵐信行（名古屋大學(xué)）、巖本敏志（大阪大學(xué)）、中嶋誠（大阪大學(xué)）、本田善央（名古屋大學(xué)）

  【通訊作者簡介】

天野浩，現(xiàn)任名古屋大學(xué)未來材料與系統(tǒng)研究所教授，日本學(xué)士院院士，中國工程院外籍院士，美國國家工程院外籍院士，2014年諾貝爾物理學(xué)獎得主。

王 嘉，現(xiàn)任名古屋大學(xué)高等研究院YLC特任助理教授。2021年于加州大學(xué)洛杉磯分校（UCLA）材料科學(xué)系獲得博士學(xué)位。研究方向為氮化鎵和氮化鋁的新型摻雜及器件開發(fā)。

（來源：天野浩團隊供稿）