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研究背景

鑒于半導(dǎo)體材料科學(xué)的發(fā)展，漏磁性氮化鎵（GaN）與鎂（Mg）之間的相互作用備受關(guān)注。早期，人們通過取代鎂原子摻雜到GaN中實(shí)現(xiàn)了p型摻雜，從而為白光發(fā)射二極管的實(shí)現(xiàn)打下了基礎(chǔ)。然而，盡管這一突破具有重要意義，但由此產(chǎn)生的問題也顯而易見：低空穴遷移率。這一問題限制了GaN等三/氮化物半導(dǎo)體的性能表現(xiàn)。與此同時(shí)，應(yīng)變工程被認(rèn)為是一種提高GaN載流子遷移率的潛在策略。然而，要在GaN中實(shí)現(xiàn)并保持高彈性應(yīng)變一直是一項(xiàng)艱巨的任務(wù)。

另一方面，插層技術(shù)在納米技術(shù)領(lǐng)域具有重要意義，它被廣泛應(yīng)用于制造人工層狀結(jié)構(gòu)。但通常情況下，插層技術(shù)主要應(yīng)用于范德瓦爾斯材料，因?yàn)檫@些材料具有較弱的相互作用力，使得插入外部原子、離子或分子片更為容易。然而，將原子片插入具有強(qiáng)離子和共價(jià)鍵的單晶體材料，如GaN，被認(rèn)為是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。

成果簡(jiǎn)介

為了解決這一問題，日本名古屋大學(xué)Jia Wang，Hiroshi Amano院士等研究者展開了探索，旨在解決兩個(gè)重要問題：一是如何實(shí)現(xiàn)并保持高彈性應(yīng)變，以提高GaN的載流子遷移率；二是如何在GaN這樣的單晶體材料中實(shí)現(xiàn)原子片的插層，以構(gòu)建新的人工層狀結(jié)構(gòu)。

相關(guān)研究在Nature期刊上發(fā)表了題為“Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices”的最新論文。通過在GaN表面鍍覆鎂薄膜并進(jìn)行退火，他們觀察到了一種前所未見的現(xiàn)象：鎂單原子片自發(fā)地插入到GaN晶格中，形成了二維Mg插層GaN超晶格結(jié)構(gòu)。因此，本研究不僅解決了GaN中的兩大關(guān)鍵問題，而且為半導(dǎo)體材料科學(xué)和納米技術(shù)領(lǐng)域帶來了重要的新見解和潛在應(yīng)用。

資料顯示，這篇Nature的第一作者來自同濟(jì)大學(xué)的中國學(xué)生王嘉！

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研究亮點(diǎn)

(1) 實(shí)驗(yàn)首次觀察到了在大氣壓下，通過在GaN表面退火鎂薄膜，自發(fā)形成了鎂插層GaN超晶格結(jié)構(gòu)，這標(biāo)志著二維金屬首次插層到體塊半導(dǎo)體，每個(gè)鎂單層被插入到幾層六角形GaN之間。

(2) 實(shí)驗(yàn)采用了高角度暗場(chǎng)掃描透射電鏡（HAADF-STEM）和原子分辨集成差分相位對(duì)比（iDPC）-STEM成像等技術(shù)，發(fā)現(xiàn)了鎂插層GaN超晶格的微觀結(jié)構(gòu)。通過對(duì)顯微鏡圖像的分析，發(fā)現(xiàn)單個(gè)連續(xù)的鎂插層片的直徑為幾十納米，每對(duì)鎂插層之間觀察到5-10層GaN。

(3) 進(jìn)一步的能量色散X射線光譜（EDS）和元素分布圖的確認(rèn)表明，鎂插層片由單原子層組成，并且完全由鎂組成。

(4) 實(shí)驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，鎂層的插層導(dǎo)致了與相鄰的六角形GaN層具有ABCAB注冊(cè)的超晶格結(jié)構(gòu)，每個(gè)鎂原子位于六個(gè)氮原子包圍的八面體間隙位。

圖文解讀

圖1：Mg插層的GaN超晶格。

圖2. 2D-Mgi插層片誘導(dǎo)的極性轉(zhuǎn)變。

圖3. 在間隙插層的GaN超晶格MiGs納米結(jié)構(gòu)中，高單軸壓縮應(yīng)變。

圖4：n型和p型GaN上，GaN超晶格MiGs電學(xué)性質(zhì)。

結(jié)論展望

本研究揭示了一種前所未見的二維金屬插層到體塊半導(dǎo)體的現(xiàn)象，即Mg插層GaN超晶格的形成。這種插層結(jié)構(gòu)不僅突破了傳統(tǒng)對(duì)于范德瓦爾斯材料才能進(jìn)行插層的認(rèn)知，而且在強(qiáng)離子和共價(jià)鍵的單晶體中實(shí)現(xiàn)了穩(wěn)定的插層結(jié)構(gòu)，這為新型納米材料的設(shè)計(jì)和合成提供了新思路。

此外，Mg插層GaN超晶格表現(xiàn)出極高的單軸壓應(yīng)變，這為通過彈性應(yīng)變工程來調(diào)控半導(dǎo)體材料的電子性質(zhì)提供了新的途徑。通過改變GaN的電子能帶結(jié)構(gòu)，可以有效增強(qiáng)其空穴傳輸性能，從而有望解決傳統(tǒng)III/nitride半導(dǎo)體中低空穴遷移率的限制。

此外，Mg插層還引起了GaN極性的周期性轉(zhuǎn)變，產(chǎn)生了極化場(chǎng)誘導(dǎo)的凈電荷，這為調(diào)控半導(dǎo)體極性和控制極化場(chǎng)效應(yīng)提供了新的思路。綜上所述，本研究為半導(dǎo)體材料的摻雜和導(dǎo)電性增強(qiáng)提供了新的理論基礎(chǔ)和實(shí)驗(yàn)方法，并為納米材料的設(shè)計(jì)和功能化合成提供了新的思路和策略。

文獻(xiàn)信息

Wang, J., Cai, W., Lu, W. et al. Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07513-

原創(chuàng)文章，作者：計(jì)算搬磚工程師，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2024/06/11/06defee2f8/

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