Mg插入GaN超晶格结构及在器件应用

Mg插入的氮化镓超晶格的结构，这里也称为MiGs（Mg-intercalated GaN superlattices structure），也属于GaN:2D -mg掺杂超晶格。

1.实验方案

首先使用传统的物理气蒸气沉积方法，如电子束蒸发或溅射，在单晶纤锌矿氮化镓（六边形P63mc空间群）上沉积金属Mg薄膜。使用3N（99.9%）的ACS-4000（ULVAC）Mg目标溅射系统在氮化镓样品上沉积了大约50纳米厚的非定形、纯、裸金属Mg薄膜。随后，这些样品在大气压下的高温下进行退火，发现超晶格结构的形成特征是快速扩散过程，在550°C到800°C的温度下，只需要10分钟或更少。

图1 金属Mg在氮化镓上热退火自发形成MiGs纳米结构

单原子Mg自发插入到六角形氮化镓，形成一个超晶格结构，这个过程被称为2D-Mg掺杂。

2.特性分析

在MiGs的结构中，Mg层的间隙占据导致了一个ABCAB，相邻的六边形氮化镓层遵循一个ABAB堆叠序列。每个位于C位的Mg原子被6个N原子包围，占据一个八面体的间隙位。

图2 STEM图和结构示意图

Mg层倾向于排斥Ga，导致最近的氮化镓单分子层在位于Mg层下方和上方时表现出相反的极性。

图3 EDS分析

空穴产生的电势是由2D-Mg薄片诱导的氮化镓中的周期性极性跃迁引起的。这使得二维-Mg掺杂的概念特别重要，并为极化诱导空穴掺杂研究的新维度提供了一个独特的见解。

图4 极性反转

氮化镓和Mg之间的完美晶格匹配，Mg是一种具有金属键的金属，这两种不同的材料具有相同的晶体结构（六角形P63mc空间群）。有趣的是，六角形氮化镓和六角形Mg（平面内，（aGaN−aMg）/aGaN =−0.4%之间的晶格失配；平面外，（cGaN−cGg）/cGaN=−0.3%）在实验测量值的误差范围内可以忽略不计。这种错配比氮化镓外延的常见衬底低1-2个数量级，如Si（平面内，+17%）、蓝宝石（平面内，−16%）和碳化硅（平面内，+3.5%）。氮化镓和Mg之间的完美晶格匹配大大降低了错配应变，在（0001）氮化镓上2D-Mgi的自发形成中起着关键作用，这也可以解释为什么Mg在氮化镓中很容易分离。

表1 GaN和Mg的物理性质

现有的p型氮化镓上加入MiGs可以大大降低比接触电阻率，在稍高的温度下550℃退火的样品I-V特性显示出有效欧姆接触，具有良好的线性，而在500℃没有形成欧姆接触，MiGs形成的阈值温度和时间可能因氮化镓中的初始Mg浓度而略有不同。

图5 I-V曲线

3.产业应用

MiGs结构中增强的空穴输运也极大地促进了氮化镓p-n结二极管和p型氮化镓肖特基势垒二极管的优异性能，突出了该纳米结构在广泛的电子器件应用中具有相当大的技术潜力。除了改变的电子带结构和改变的光学和电性质，应变氮化镓引起的热输运的增强。

因此，该结构为研究金属-半导体超晶格的能带结构和输运特性提供了一种新的工具，为先进材料和器件的发展开辟了道路。

对于半导体器件，p型掺杂是一项非常重要的技术参数，它关联着空穴浓度以及载子传输，以及欧姆接触等，我们希望有更多突破性的技术来促进整个行业的发展，就像中村修二等发现高温退火能解决p型GaN的掺杂问题，进而并实现固态照明的革命。

我们希望，理论能够应用于实践及产业化，以此来促进整个科学技术的发展和人类文明的进步。

参考：Wang J, Cai W, Lu W, et al. Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices[J]. Nature, 2024: 1-6.

来源：未来芯研究

*声明：本文由作者原创。文章内容系作者个人观点，宽禁带半导体技术创新联盟转载仅为了传达一种不同的观点，不代表本联盟对该观点赞同或支持，如果有任何异议，欢迎联系我们。