Nature：镁掺杂氮化镓新见解

一、【科学背景】

氮化镓(GaN)因其特有的物理属性，如大的直接带隙、高的量子效率和低的暗电流，已成为光电器件领域的研究焦点。通过掺杂替代镁（Mg）原子可以增加其空穴浓度，获得p型GaN。然而，目前GaN和Mg之间的相互作用的细节仍然不清楚。

二、【创新成果】

近日，日本名古屋大学研究人员观察到通过在GaN上退火金属Mg膜可以在大气环境下自发形成Mg插层的GaN超晶格（MiGs）。据作者所知，这标志着首次将二维金属插层到半导体体相中。Mg单层插入到几个六角GaN单层之间，这一过程是间隙插层，导致垂直于间隙层的显著单轴压缩应变。因此，Mg插层的GaN超晶格中的GaN层表现出超过-10%的异常弹性应变（相当于超过20 GPa的应力），是薄膜材料中记录的最高应变之一。应变改变了电子能带结构，并大大增强了压缩方向上的空穴传输。此外，Mg片诱导了GaN极性的周期性转变，产生了由极化场诱导的净电荷。这些特性为半导体掺杂和电导增强，以及纳米材料和金属-半导体超晶格的弹性应变工程提供了新的见解。

图1Mg插层的GaN超晶格。（a-c）高角度环形暗场扫描透射电子显微镜(HAADF-STEM)图像逐步放大，展示了2D-Mg插层GaN超晶格的典型结构。（d）集成微分相差 （iDPC）-STEM图像（c区域红框内的放大视图），显示了超晶格的重复单元结构，其中Ga、N和Mg原子清晰可见。（e）来自d的超晶格结构示意图，详细说明了组成原子的位置。（f）原子级分辨的EDS元素图穿过超晶格的局部区域。强度峰表示每种元素的原子平面的相对位置。这个区域在HAADF-STEM图像（顶部）中展示，箭头标记了线扫描方向。（g）与f相同区域的原子级分辨的EDS元素图。©2023 Springer Nature

二维Mg层自发插入六方GaN，形成超晶格结构，HAADF-STEM图像揭示了Mg插GaN超晶格 (MiGs) 结构的复杂细节。iDPC-STEM成像和EDS证实了该二维插层完全由Mg组成。

图2由2D-Mg插层片诱导的极性转变。HAADF-STEM（a）和iDPC-STEM（b）图像显示了沿[1120]晶区轴（a轴）同一区域垂直对齐的2D-Mg片的边缘。同样沿着[1120]晶区轴（a轴）放大的HAADF-STEM（c）和iDPC-STEM（d）图像。（e）iDPC-STEM图像原子级地解析了GaN的单层，展示了几个原子上的极性逐渐转变。（f）示意图展示了一对2D-Mg片边缘的区域，强调了沿Mg片垂直和平行方向发生的极性转变。©2023 Springer Nature

图3来自间隙插层的MiGs纳米结构中的高单轴压缩应变。（a）非van der Waals固体中原子片插层的三种情况的示意图，由MAX（M是早期过渡金属，A是13或14族元素，X是碳和/或氮）相（左）、Guinier-Preston区（中）和MiGs结构（右）表示。（b）具有原子分辨率的HAADF-STEM图像，显示了MiGs结构的一个典型区域以及旁边的空隙。（c）应变图。（d）c中的平均晶格常数和应变值的总结。©2023 Springer Nature

在MiGs配置中，2D-Mg为间隙插入结构。GaN 原子平面的连续性在间隙插入中得以保留。当一对Mg片之间的GaN原子平面数量减少到六个时，六边形GaN中的单轴应变超过 −12%。鉴于GaN 的高弹性模量（约 295 GPa），弹性应变会产生超过20 GPa。

图4 MiGs在n型和p型GaN上的电学特性。（a）电容-电压特性（1/C²–V）曲线。（b）从1/C²–V图中提取的体掺杂浓度作为距表面深度的函数。（c）STEM图像逐步放大的视图表明，最初的p型GaN外延层，在500 °C下用Mg退火10分钟后，表面变得粗糙但没有Mg插层的迹象。（d）STEM图像逐步放大的视图表明，u-GaN（非故意掺杂，半绝缘GaN）/n-GaN基底上的p型GaN外延层，在550 °C下用Mg退火10分钟后，表面变得粗糙，具有Mg插层特征，表明MiGs结构的早期形成。（e）电流-电压特性（I–V）曲线。©2023 Springer Nature

作者评估了沿c轴增强的空穴传输：在加入MiGs后，GaN的光导率增加了六倍。此外，作者证明了加入MiGs结构会改变 GaN 的表面电位。在现有的p型GaN上引入MiG可以大大降低接触电阻率。MiGs结构中增强的空穴传输也极大地促进了GaN p-n结二极管和p型GaN 肖特基势垒二极管性能的提升，凸显了这些纳米结构在广泛电子设备应用中的巨大技术潜力。

该研究实现了一种高性能p 型GaN，以“Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices”为题发表在国际顶级期刊Nature上，引起了相关领域研究人员热议。

三、【科学启迪】

综上所述，本文首次观测到二维金属Mg插层嵌入GaN体半导体中，形成了具有异常弹性应变的超晶格结构。该发现不仅为理解GaN与Mg之间的相互作用提供了新的视角，也为半导体掺杂、电导增强以及纳米材料的弹性应变工程提供了重要的科学依据。此外，研究还发现，通过退火处理，可在GaN中形成具有高弹性应变的MiGs结构，这种应变改变了电子能带结构，并显著增强了空穴的传输性能。这些发现有望推动高性能电子器件的发展，特别是在提高半导体器件的电导和载流子迁移率方面具有重要的应用潜力。

原文详情：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