Nature: 半导体/金属超晶格战间隙型嵌进机制的初次收现 – 质料牛

发布时间：2025-09-17 22:12:52 来源： 作者：别样视角

【钻研布景—氮化镓战镁的半导初次相遇（1989年）】

氮化镓（GaN）做为第三代半导体质料战Ⅲ族氮化物的代表，其宽禁带、体金直接带隙等特色正在LED照明、属超半导体激光器中患上到普遍操做，晶格机制正在电力电子器件（收罗电动汽车战快捷充电器中的战间闭头组件）规模亦劣于传统硅基半导体，已经逐渐患上到商业化。隙型现质GaN基电子器件的嵌进功能后退对于真现节能社会战碳中战的目的具备尾要意思。

可是次收，氮化镓、料牛氮化铝、半导氧化镓等宽禁带半导体质料的体金p型异化，历去是属超辣足艰易。1989年，晶格机制名古屋小大教的战间赤崎怯教授战他的教去世天家浩操做镁（Mg）元素，乐成真现了氮化镓的隙型现质p型异化，斥天了蓝光LED，使黑光LED照明成为可能。2014年，果表彰蓝色LED对于竖坐节能社会发挥的尾要熏染感动，赤崎怯、天家浩战中村落建两（减州小大教圣塔芭芭推分校教授）分享了诺贝我物理教奖。

时至今日，距初次真现氮化镓p型异化已经逾35年，镁借是仅有已经知的Ⅲ族氮化物的p型异化元素。可是，人们对于氮化镓中的镁簿本散漫动做战异化激活机制，特意是镁正在氮化镓晶格中的消融度低战易析出的特色，仍贫乏短缺深入的清晰，那限度了p型氮化镓正在光电子战电力电子器件中发挥应有的卓越功能。

【钻研明面—两维镁嵌进氮化镓式超晶格的收现（2024年）】

由名古屋小大教天家浩团队钻研收现，将氮化镓与金属镁两种质料正在小大气压下简朴天妨碍减热反映反映，即正在氮化镓晶圆上群散镁薄膜降伍止老例退水工艺，可能正在氮化镓概况组成颇为配合的、由多簿本层氮化镓战单簿本层镁周期性摆列的超晶格挨算。那也是人们初次收现两维金属簿本里插进半导体质料的征兆。钻研职员将其命名为两维镁嵌进氮化镓式超晶格（MiGs）挨算。那项新挨算的收现，挨开了半导体质料新型异化机制战薄膜质料新型形变机制的两扇新窗。该钻研于《做作》杂志6月5日线上刊载。

图一 两维镁嵌进氮化镓式超晶格（MiGs）的微不美不雅挨算照片战簿本示诡计。@nature

钻研职员不雅审核到由氮化镓战镁的簿本层交替摆列的超晶格挨算。如图一所示，自左背左，经由历程挨次放大大的簿天职讲级扫描透射电子隐微图像，两维镁嵌进氮化镓式超晶格（MiGs）挨算患上以提醉。iDPC-STEM图像（左两）明白提醉了该挨算单元的齐数簿本，其示诡计如图（左一）所示。

图两 氮化镓战镁的物理性量比力 @nature

由于氮化镓战镁正在物理特色上赫然不开，自觉组成超晶格的事真，正在质料科教规模很罕有。可是，钻研职员经由历程查阅氮化镓战镁的常温常压晃动相的晶格常数时收现（图两），尽管氮化镓是一种由离子健战共价键异化组成的陶瓷质料（电教性量呈现宽带隙半导体特色），镁是一种由金属键组成的金属质料（电教性量呈现金属特色），两种质料看似好异，却有无同的六圆稀散积晶胞挨算，且晶胞常数好异可能轻忽不计。氮化镓战镁的晶格挨算“完好立室”—何等罕有的巧开，堪称做作界的奉支（”a true gift of nature”），小大小大降降了该超晶格自觉组成所需的能量，正在其自觉组成中起到了闭头熏染感动。同样，基于不同原因（氮化镓战镁的完好晶格立室），可能批注镁正在氮化镓中易于组成共格析出相的偏偏背，从而解开了镁正在氮化镓晶格中的消融度低战易析出的特色之谜。

图三 两种置换型嵌进模式（以MAX相战GP区为代表）战新收现的间隙型嵌进模式（如MiGs挨算）的比力示诡计。 @nature

此外值患上看重的是，与此前质料界中已经收现的嵌进（intercalation）机制不开，正在MiGs挨算中，中去元素单簿本里嵌进基体中，其真不是是贯串齐层的（如MAX相质料），而是初终挖埋正在体内的。第两，中去簿本初终处正在基体簿本面阵的间隙位置，而非置换位置（如GP区）。如图三所示，嵌进里出有替换基体的面阵簿本，以是基体簿本里的连绝性出有由于嵌进里而破损，那使患上载流子沿基体簿本里内传输，散射多少率小。钻研职员将那一配合的嵌进机拟命名为间隙型嵌进， MiGs挨算的存正在，则是那类间隙型嵌进的真例。

图四 MiGs挨算中氮化镓逾越10%的弹性形变不雅审核—间隙型嵌进模式的配合特色。 @nature

间隙型嵌进的配合性，借正在于嵌进区基体质料的下弹性形变。如图四所示，统一隐微照片中已经嵌进区（参考区）战嵌进区（形变区）的比力，证清晰明了氮化镓正在嵌进区（MiGs挨算）的下形变。如图，氮化镓的里中缩短形变逾越了-10%。那好比将本去薄度为10（任意单元）的氮化镓，挤压到薄度为9（任意单元）。当质料同样艰深履历1-2%的弹性形变时，应力即很随意由质料中的位错的产决战激战行动而释放，以是对于质料施减下弹性形变颇为难题，而逾越了10%的弹性形变，已经接比去多少小大少数质料的实际极限。同时，何等下形变的不雅审核，正在质料界—特意是两维及三维质料中—是个记实，也可与硅或者铜的一维纳米线质料不雅审核的逾越10%的形变比照力。同时，由于氮化镓具备远下于硅或者铜的的弹性模量（>200 GPa），何等下于10%的弹性形变对于应的弹性应力值逾越了20 GPa，也创做收现了魔难魔难不雅审核弹性应力的记实。

对于半导体薄膜质料去讲，弹性形变会带去能带挨算的修正。对于氮化镓而止，其价带挨算由三条能带组成：重空穴带（HO）、沉空穴带(LO)战自旋劈裂带(SO)。当氮化镓沿c轴的缩短形变逾越确定数值后，实际展看，劈裂带将会逾越重空穴带战沉空穴带，上降至价带顶，从而产去世价带挨算反转。由于空穴正在劈裂带沿c轴标的目的的实用量量，仅为重空穴的1/10中间。那象征着，正在短缺的缩短形变下，氮化镓延缩短标的目的的空穴迁移率可删减数倍，同时p型氮化镓延该标的目的的电导率也可提降数倍。

做为一个电子器件的操做真例，氮化镓概况的MiGs挨算，可能很好锐敏现p型氮化镓的欧姆干戈。欧姆干戈是一种特意的金属-半导体结，它可能确保电流正在金属战半导体之间单背流利。真现欧姆干戈，是半导体器件的根基要供。可是，真现p型氮化镓的卓越欧姆干戈，一背是相闭半导体财富的瓶颈艰易。如图四所示，正在p型氮化镓战镁的退水反映反映温度低、反映反映时候短的情景下，电子隐微照片证实，样品出有MiGs挨算天去世，该样品经由历程电流-电压特色测试，也出有呈现欧姆干戈特色。可是，当退水反映反映温度战反映反映时候抵达确定值后，样品呈现出MiGs初初组成的特色，其电流-电压特色直线呈现出赫然欧姆干戈特色，且线性度劣越（图四青色线所示）。那是由于MiGs的组成，后退了p型氮化镓垂直标的目的的电导率（表目下现古实用量量战异化浓度两个参数）。

图五 具备MiGs挨算的p型氮化镓的电流电压测试。 @nature

【钻研展看】

正在2014年诺贝我物理教奖付与氮化镓钻研的十周年之际，两维镁嵌进氮化镓式超晶格挨算的收现，再一次演绎了氮化镓半导体与金属镁的“怪异互动”。那类钻研金属-半导体超晶格的能带挨算战传输特色的新仄台，也为半导体异化机制战质料科教的底子钻研提供了新题材。此外，其简朴高尚的分解格式，实用提降了GaN基电子器件的功能，具备可不美不雅的财富价钱。此外，从做作界巧夺天工的挨算中吸与智慧，事实下场走背具备精确成份战仄均薄度克制的家养分解MiGs挨算，是将去相闭钻研的标的目的。

 【文章疑息】

文章问题下场：Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices

网页浏览版：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07513-x

PDF浏览版：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07513-x.pdf

第一做者兼配激进讯做者：王 嘉（名古屋小大教）

最后做者兼配激进讯做者：天家浩（名古屋小大教）

其余做者：蔡文韬（名古屋小大教）、卢卫芳（名乡小大教，现单元：厦门小大教）、陆 顺（名古屋小大教）、狩家絵好（名古屋小大教）、Verdad C. Agulto（小大阪小大教）、Biplab Sarkar（名古屋小大教，现单元：印度理工教院）、渡边浩崇（名古屋小大教）、五十岚疑止（名古屋小大教）、岩本敏志（小大阪小大教）、中嶋诚（小大阪小大教）、本田擅央（名古屋小大教）

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