氮化镓，取得了新的突破

7月4日，名古屋大学证实，通过GaN和金属镁（Mg）之间的简单热反应形成了独特的超晶格结构，可以提高P型GaN基器件的性能。

该成果是YLC特聘助理教授王佳和名古屋大学先端研究所/未来材料与系统研究所Hiroshi Amano教授领导的研究小组的成果。详细内容发表在英国科学杂志《自然》上。

由于P型GaN是通过置换Mg原子进行掺杂（P型掺杂）而实现的，因此GaN已被用于LED照明和半导体激光器，近年来，利用其特性的功率半导体也得到了使用。作为实现节能社会和碳中和目标关键的半导体材料而受到关注。

然而，在实现 35 年多后，人们对 GaN 中的 P 型掺杂仍然知之甚少，而 Mg 仍然是唯一已知的掺杂杂质元素。特别是Mg原子在GaN中的扩散行为和掺杂激活机制，特别是Mg在GaN晶格中的低固溶度极限和易偏析的特性尚未完全了解，而这是由于这被认为是限制P型GaN在控制器件中性能的一个因素。因此，研究小组决定通过在GaN上沉积Mg后进行退火来进行详细研究。

在这项研究中，通过在大气压下对 GaN 上的金属 Mg 薄膜进行退火，我们发现了一种插层现象，即独特的 Mg 单原子层周期性地插入 GaN 表面。详细观察表明，六方GaN原子层和Mg单原子层交替排列的超晶格结构（Mg插层GaN超晶格，简称MiG）是自发形成的。这是首次将二维金属插入半导体材料中，研究小组将这种独特的插入机制命名为“间隙插入”。米格机结构的存在就是这种侵入性插入的一个例子。

GaN原子层和Mg单原子层的排列图像

2D-Mg 插入 GaN 型超晶格 (MiG) 的结构照片和原子设计。

GaN和Mg相关特性的比较

米格机结构的特点是，与迄今为止发现的插入机制不同，单元的单原子平面最初是插入到基材中的，但它并不穿透所有层，并且始终嵌入基材内。，外来原子始终位于基材原子的间隙位置，而不是取代位置，保持了基材原子层的连续性和完整性。

旨在演示 2D-Mg 掺杂机制

侵入性插入的特征

此外，由于 Mg 插层引起垂直于基体原子层的单轴压缩应变，因此 Mg 插层 GaN 超晶格中的 GaN 层具有薄膜材料有史以来最高的 10% 应变之一。证明了超高弹性应变（相当于20 GPa以上的弹性应力），密度泛函理论结果表明单轴压缩应变增加了GaN的禁带宽度。这增加了空穴沿压缩方向的迁移率，从而提高了 P 型 GaN 在该方向上的电导率，在实际的太赫兹时域椭圆光度 (THz-TDE) 测量中，电导率为 6。假设您有确认您的绩效提高了一倍。

THz-TDE 实验结果

此外，当在轻掺杂的N型GaN表面上构建MiGs结构时，证实肖特基势垒的高度增加。研究小组解释说，这表明二维镁（2D-Mg）感应出空间负电荷，并且GaN表面上的MiGs结构也有助于实现与P型GaN的欧姆接触。也得到了证实。

该课题组对该结构的发现以及2D-Mg掺杂机制的发现，为研究金属-半导体超晶格的能带结构和导电性能提供了新的平台，为半导体掺杂机制和材料科学的基础研究提供了新的平台此外，它有望具有工业价值，因为可以使用简单且低成本的合成方法来提高基于 GaN 的电子器件的性能，挑战将是从形成的 MiG 结构的初步观察中推进研究。在现场精确人工合成均匀分布的米格结构。

参考链接

https://news.mynavi.jp/techplus/article/20240705-2980136/

来源：半导体行业观察,编译自mynavi

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