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近日，日本名古屋大学（Nagoya University）的一项新研究发现，将氮化镓（GaN）和镁（Mg）简单热反应就会形成独特的超晶格结构。这是研究人员首次发现可以将二维金属层插入块状半导体中，这有望提高GaN半导体器件性能。同时这项新结构的发现，打开了半导体材料新型掺杂机制和薄膜材料新型形变机制的两扇新窗。研究人员将这一发现称为“大自然的馈赠”，它可能会开辟新的途径并激发该领域更多的基础研究。
相关研究结果以”Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices“为题发表于Nature。（DOI：10.1038/s41586-024-07513-x）
根据富士经济的《2023年下一代功率器件和电力电子相关设备市场的现状和未来》，超越传统硅功率半导体的耐压和低损耗极限的下一代功率半导体的全球市场预计将增长，2035年预计将比2022年增长31.1倍，达到54,485亿日元。
GaN 是一种重要的功率半导体材料，有望在需要更高功率密度和更快工作频率的应用中取代传统的硅半导体，成为现代电子设备中不可或缺的关键组件。
另外，GaN 的独特性质使其在 LED、激光二极管和电力电子等设备中具有重要价值，包括电动汽车和快速充电器中的关键部件。因此，提高GaN基的设备性能，将有助于实现节能社会和碳中和的未来。
Mg是唯一已知的GaN半导体的p型掺杂元素
氮化镓、氮化铝、氧化镓等宽禁带半导体材料的p型掺杂，历来是棘手难题。在GaN半导体领域，Mg是迄今为止已知的唯一能够产生p型导电性的元素。
总所周知，半导体有两种基本且互补的导电类型：p 型和 n 型。p 型半导体主要以携带正电荷的自由载流子（称为空穴）为特征，而 n 型半导体则通过自由电子导电。半导体通过掺杂的过程获得 p 型或 n 型导电性，掺杂是指故意将特定杂质（称为掺杂剂）引入纯半导体材料中，以极大地改变其电学和光学特性。1989年，名古屋大学的赤崎勇教授和他的学生天野浩利用镁（Mg）元素，成功实现了氮化镓的p型掺杂，开发了蓝光LED，使白光LED照明成为可能。2014年，因表彰蓝色LED对创建节能社会发挥的重要作用，赤崎勇、天野浩和中村修二（加州大学圣塔芭芭拉分校教授）分享了诺贝尔物理学奖。同时，日本名古屋大学，也被誉为“GaN技术的摇篮”。尽管自首次成功将Mg掺杂到GaN中已过去35年，但Mg在GaN中掺杂的完整机制，尤其是Mg的溶解度极限和偏析行为仍不清楚。这种不确定性限制了它们在光电子和电力电子器件中发挥应有的卓越性能。
诺奖团队再次创新
为了提高 p 型 GaN 的导电性，该研究团队，在 GaN 晶片上对沉积的金属 Mg 薄膜进行图案化，并在大气压下简单地进行加热，即在氮化镓晶圆上沉积镁薄膜后进行常规退火工艺。
随后，该研究团队利用最先进的电子显微镜成像技术观察到了超晶格的自发形成，这种超晶格具有交替的 GaN 层和 Mg 层。这是极其罕见的实验现象，因为 GaN 和 Mg 是两种物理性质差异很大的材料。
该团队研究人员解释道，“尽管 GaN 是一种具有混合离子和共价键的宽带隙半导体，而 Mg 是一种具有金属键的金属，但这两种不同的材料具有相同的晶体结构，六方 GaN 和六方 Mg 之间的晶格差异可以忽略不计，这是一个惊人的自然巧合。我们认为 GaN 和 Mg 之间的完美晶格匹配大大降低了创建结构所需的能量，在这种超晶格的自发形成中起着关键作用。”
另外，这种独特的插层行为（他们称之为间隙插层）会导致主体材料产生压缩应变。具体来说，研究人员发现插入 Mg 层的 GaN 承受着超过 20 GPa 的高应力，相当于大气压的 200,000 倍，这是有史以来薄膜材料中记录的最高压缩应变。这远远高于硅膜中常见的压缩应力（在 0.1 至 2 GPa 范围内）。由于这种应变，电子薄膜的电子和磁性会发生显著变化。研究人员发现，通过空穴传输，GaN 中的电导率沿应变方向显著增强。
也就是说，利用这种简单且低成本的方法，我们能够增强 GaN 中空穴的传输。从而传导更多电流，这也为增强GaN器件性能提供新选择！
一位教授表示：“发现 Mg 插入 GaN 超晶格结构并确定 2D-Mg 掺杂的新机制，为表彰 III 族氮化物半导体研究领域的开创性成就提供了难得的机会。”该教授在获得诺贝尔奖 10 年后推动了这项技术的发展，他将这一及时的发现称为“大自然的真正礼物”，它可能会开辟新的途径并激发该领域更多的基础研究。
目前，日本科学技术振兴机构通过 ASPIRE 计划和 AdCORP 计划资助了这项研究。该项目还得到了日本文部科学省、经济产业省和日本学术振兴会的支持。
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