研究背景—0D-Mg（1989年）
1989年，名古屋大學的赤崎勇和天野浩成功利用鎂（Mg）原子置換Ga位（0D-Mg摻雜），實現了GaN的p型摻雜，開發了藍光LED，引領世界走向LED照明時代。2014年，因表彰藍色LED的發明，赤崎勇、天野浩和中村修二分享了諾貝爾物理學獎。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揮應有的卓越性能。
研究亮點—2D-Mg（2024年）
近日，名古屋大學天野浩團隊發現，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的現象。研究人員稱其為2D-Mg嵌入GaN式超晶格（MiGs）結構。這項新結構的發現，涉及了半導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）的微觀結構照片和原子示意圖。@nature
利用掃描透射電子顯微成像技術，研究人員觀察到由GaN和Mg的原子層交替排列的超晶格結構。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）結構得以展示。基于積分差分相位襯度技術(iDPC)的圖像（右2）清晰展現了單元重復結構，其原子示意圖如圖（右1）所示。
研究人員通過查閱GaN和Mg的晶格常數發現（圖二），雖然GaN是一種由離子健和共價鍵混合構成的寬禁帶半導體，Mg是一種由金屬鍵構成的金屬材料，兩者看似迥異，卻具有相同的六方密堆積晶胞結構，且晶胞常數差異可以忽略不計。GaN和Mg的晶格結構“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形成所需的能量，從而在其自發形成中起到了關鍵作用。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GaN的Ga極性和N極性的反轉。如圖3所示，這樣的極性反轉，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中空間電荷的產生。因此，2D-Mg原子面的周期性插入，引發了周期性GaN的極性漸變，從而產生空間負電荷，并可能產生空穴。因此， 雖然2D-Mg中的Mg是間隙型雜質原子，不能直接電離產生空穴，卻可以通過調控GaN的極性，間接產生空間電荷和空穴。這樣的新型“2D-Mg”摻雜現象，與傳統的0D-Mg摻雜機制不同。
圖4. MiGs結構中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區（參考區）和嵌入區（形變區）的對比，證實了GaN在嵌入區（MiGs結構）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%的彈性形變對應的彈性應力值超過了20 GPa，也創造了實驗觀測彈性應力的記錄。
半導體材料的彈性形變會帶來能帶結構的變化。對于GaN而言，其價帶結構由三組能帶組成：重空穴帶（HO）、輕空穴帶(LO)和自旋劈裂帶(SO)。當GaN沿c軸的壓縮形變超過一定數值后，理論預測，劈裂帶將會超過重空穴帶和輕空穴帶，上升至價帶頂，從而發生晶場分裂能的反轉。因為劈裂帶空穴沿c軸方向的有效質量，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倍，同時p型氮化鎵沿該方向的電導率也可提升數倍。
作為電子器件的應用實例（圖5），在低摻n型GaN表面構建MiGs結構，可以調高肖特基勢壘的高度，這可以作為2D-Mg誘生空間負電荷的有力證據；同時，在p型GaN表面構建MiGs結構，可以很好實現p型GaN的歐姆接觸，后者是p型GaN的一個瓶頸問題。
圖5 MiGs結構對于GaN的肖特基勢壘和歐姆接觸的調控。@nature
【研究展望】
在2014年諾貝爾物理學獎授予GaN研究的十周年之際，MiGs結構和2D-Mg摻雜機制，為半導體摻雜機制和材料科學的基礎研究提供了新題材。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，具有可觀的產業價值。最后，從自然界自發形成的MiGs結構的初步觀測，到均勻分布MiGs結構的精確人工合成，是未來相關研究的方向。
【文章信息】
文章題目：Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices
網頁閱讀版：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）
最后作者兼共同通訊作者：天野浩（名古屋大學）
其他作者：蔡文韜（名古屋大學）、盧衛芳（名城大學，現單位：廈門大學）、陸 順（名古屋大學）、狩野絵美（名古屋大學）、Verdad C. Agulto（大阪大學）、Biplab Sarkar（名古屋大學，現單位：印度理工學院）、渡邊浩崇（名古屋大學）、五十嵐信行（名古屋大學）、巖本敏志（大阪大學）、中嶋誠（大阪大學）、本田善央（名古屋大學）
【通訊作者簡介】
天野浩，現任名古屋大學未來材料與系統研究所教授，日本學士院院士，中國工程院外籍院士，美國國家工程院外籍院士，2014年諾貝爾物理學獎得主。
王 嘉，現任名古屋大學高等研究院YLC特任助理教授。2021年于加州大學洛杉磯分校（UCLA）材料科學系獲得博士學位。研究方向為氮化鎵和氮化鋁的新型摻雜及器件開發。
（來源：天野浩團隊供稿）
