研究背景—0D-Mg（1989年）
1989年，名古屋大学的赤崎勇和天野浩成功利用镁（Mg）原子置换Ga位（0D-Mg掺杂），实现了GaN的p型掺杂，开发了蓝光LED，引领世界走向LED照明时代。2014年，因表彰蓝色LED的发明，赤崎勇、天野浩和中村修二分享了诺贝尔物理学奖。时至今日，Mg仍是唯一已知的GaN的p型掺杂元素。然而，人们对于GaN中的Mg原子扩散行为和掺杂激活机制，特别是Mg在GaN晶格中的溶解度低和易析出的特性，仍缺乏足够深入的理解，这限制了p型GaN在光电子和电力电子器件中发挥应有的卓越性能。
研究亮点—2D-Mg（2024年）
近日，名古屋大学天野浩团队发现，在GaN晶圆上沉积金属Mg后退火，可以在GaN表面形成极其独特的单原子层Mg周期性插入GaN的现象。研究人员称其为2D-Mg嵌入GaN式超晶格（MiGs）结构。这项新结构的发现，涉及了半导体材料新型掺杂机制和薄膜材料新型形变机制。该研究于《Nature》6月5日线上刊载。
图1. 2D-Mg嵌入GaN式超晶格（MiGs）的微观结构照片和原子示意图。@nature
利用扫描透射电子显微成像技术，研究人员观察到由GaN和Mg的原子层交替排列的超晶格结构。如图1所示，自左向右，通过依次放大的原子分辨级显微图像，2D-Mg嵌入GaN式超晶格（MiGs）结构得以展示。基于积分差分相位衬度技术(iDPC)的图像（右2）清晰展现了单元重复结构，其原子示意图如图（右1）所示。
研究人员通过查阅GaN和Mg的晶格常数发现（图二），虽然GaN是一种由离子健和共价键混合构成的宽禁带半导体，Mg是一种由金属键构成的金属材料，两者看似迥异，却具有相同的六方密堆积晶胞结构，且晶胞常数差异可以忽略不计。GaN和Mg的晶格结构“完美匹配”—这样罕见的自然界的巧合（“a true gift of nature”），大大降低了该超晶格自发形成所需的能量，从而在其自发形成中起到了关键作用。同样，基于相同原因（GaN和Mg的完美晶格匹配），可以解释Mg在GaN中易于形成共格析出相的倾向，从而解开了Mg在GaN晶格中的溶解度低和易析出的特性之谜。
图3. 2D-Mg掺杂的机理示意图。@nature
此外， 2D-Mg原子面可以实现GaN的Ga极性和N极性的反转。如图3所示，这样的极性反转，由可看清N原子的iDPC显微成像照片得到证实。如示意图所示，在一对2D-Mg之间的一列GaN从上向下，从N极性向Ga极性逐渐过渡。这样的极性（包括自发极化和压电极化）变化可以诱生空间电荷，其原理类似渐变组分AlGaN中空间电荷的产生。因此，2D-Mg原子面的周期性插入，引发了周期性GaN的极性渐变，从而产生空间负电荷，并可能产生空穴。因此， 虽然2D-Mg中的Mg是间隙型杂质原子，不能直接电离产生空穴，却可以通过调控GaN的极性，间接产生空间电荷和空穴。这样的新型“2D-Mg”掺杂现象，与传统的0D-Mg掺杂机制不同。
图4. MiGs结构中GaN超过10%的弹性形变观测—间隙型嵌入模式的独特特征。 @nature
另外，如图4所示，同一显微照片中未嵌入区（参考区）和嵌入区（形变区）的对比，证实了GaN在嵌入区（MiGs结构）的超高形变—GaN的面外弹性压缩形变超过了-10%。这样高形变的观测，在材料界尤其是二维及三维材料中十分罕见，此前观测到超过10%的弹性形变，是在硅或铜的一维纳米线材料中。同时，因为氮化镓具有远高于硅或铜的的弹性模量（>200 GPa），这样高于10%的弹性形变对应的弹性应力值超过了20 GPa，也创造了实验观测弹性应力的记录。
半导体材料的弹性形变会带来能带结构的变化。对于GaN而言，其价带结构由三组能带组成：重空穴带（HO）、轻空穴带(LO)和自旋劈裂带(SO)。当GaN沿c轴的压缩形变超过一定数值后，理论预测，劈裂带将会超过重空穴带和轻空穴带，上升至价带顶，从而发生晶场分裂能的反转。因为劈裂带空穴沿c轴方向的有效质量，仅为重空穴的1/10左右。这意味着，在足够的压缩形变下，GaN沿压缩方向的空穴迁移率可增加数倍，同时p型氮化镓沿该方向的电导率也可提升数倍。
作为电子器件的应用实例（图5），在低掺n型GaN表面构建MiGs结构，可以调高肖特基势垒的高度，这可以作为2D-Mg诱生空间负电荷的有力证据；同时，在p型GaN表面构建MiGs结构，可以很好实现p型GaN的欧姆接触，后者是p型GaN的一个瓶颈问题。
图5 MiGs结构对于GaN的肖特基势垒和欧姆接触的调控。@nature
【研究展望】
在2014年诺贝尔物理学奖授予GaN研究的十周年之际，MiGs结构和2D-Mg掺杂机制，为半导体掺杂机制和材料科学的基础研究提供了新题材。另外，其简单低廉的合成方法，有效提升了GaN基电子器件的性能，具有可观的产业价值。最后，从自然界自发形成的MiGs结构的初步观测，到均匀分布MiGs结构的精确人工合成，是未来相关研究的方向。
【文章信息】
文章题目：Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices
网页阅读版：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07513-x
PDF阅读版：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07513-x.pdf
第一作者兼共同通讯作者：王 嘉（名古屋大学）
最后作者兼共同通讯作者：天野浩（名古屋大学）
其他作者：蔡文韬（名古屋大学）、卢卫芳（名城大学，现单位：厦门大学）、陆 顺（名古屋大学）、狩野絵美（名古屋大学）、Verdad C. Agulto（大阪大学）、Biplab Sarkar（名古屋大学，现单位：印度理工学院）、渡边浩崇（名古屋大学）、五十岚信行（名古屋大学）、岩本敏志（大阪大学）、中嶋诚（大阪大学）、本田善央（名古屋大学）
【通讯作者简介】
天野浩，现任名古屋大学未来材料与系统研究所教授，日本学士院院士，中国工程院外籍院士，美国国家工程院外籍院士，2014年诺贝尔物理学奖得主。
王 嘉，现任名古屋大学高等研究院YLC特任助理教授。2021年于加州大学洛杉矶分校（UCLA）材料科学系获得博士学位。研究方向为氮化镓和氮化铝的新型掺杂及器件开发。
（来源：天野浩团队供稿）
