名古屋大學(xué)諾獎團隊Nature：GaN新型超晶格結(jié)構(gòu)，為增強GaN器件性能提供選擇！

近日，日本名古屋大學(xué)（Nagoya University）的一項新研究發(fā)現(xiàn)，將氮化鎵（GaN）和鎂（Mg）簡單熱反應(yīng)就會形成獨特的超晶格結(jié)構(gòu)。這是研究人員首次發(fā)現(xiàn)可以將二維金屬層插入塊狀半導(dǎo)體中，這有望提高GaN半導(dǎo)體器件性能。同時這項新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，打開了半導(dǎo)體材料新型摻雜機制和薄膜材料新型形變機制的兩扇新窗。研究人員將這一發(fā)現(xiàn)稱為“大自然的饋贈”，它可能會開辟新的途徑并激發(fā)該領(lǐng)域更多的基礎(chǔ)研究。

相關(guān)研究結(jié)果以”O(jiān)bservation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices“為題發(fā)表于Nature。（DOI：10.1038/s41586-024-07513-x）

?? 千億風(fēng)口下的第三代半導(dǎo)體GaN功率器件

根據(jù)富士經(jīng)濟的《2023年下一代功率器件和電力電子相關(guān)設(shè)備市場的現(xiàn)狀和未來》，超越傳統(tǒng)硅功率半導(dǎo)體的耐壓和低損耗極限的下一代功率半導(dǎo)體的全球市場預(yù)計將增長，2035年預(yù)計將比2022年增長31.1倍，達到54,485億日元。

GaN 是一種重要的功率半導(dǎo)體材料，有望在需要更高功率密度和更快工作頻率的應(yīng)用中取代傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體，成為現(xiàn)代電子設(shè)備中不可或缺的關(guān)鍵組件。

另外，GaN 的獨特性質(zhì)使其在 LED、激光二極管和電力電子等設(shè)備中具有重要價值，包括電動汽車和快速充電器中的關(guān)鍵部件。因此，提高GaN基的設(shè)備性能，將有助于實現(xiàn)節(jié)能社會和碳中和的未來。

???Mg是唯一已知的GaN半導(dǎo)體的p型摻雜元素

氮化鎵、氮化鋁、氧化鎵等寬禁帶半導(dǎo)體材料的p型摻雜，歷來是棘手難題。在GaN半導(dǎo)體領(lǐng)域，Mg是迄今為止已知的唯一能夠產(chǎn)生p型導(dǎo)電性的元素。

總所周知，半導(dǎo)體有兩種基本且互補的導(dǎo)電類型：p 型和 n 型。p 型半導(dǎo)體主要以攜帶正電荷的自由載流子（稱為空穴）為特征，而 n 型半導(dǎo)體則通過自由電子導(dǎo)電。半導(dǎo)體通過摻雜的過程獲得 p 型或 n 型導(dǎo)電性，摻雜是指故意將特定雜質(zhì)（稱為摻雜劑）引入純半導(dǎo)體材料中，以極大地改變其電學(xué)和光學(xué)特性。1989年，名古屋大學(xué)的赤崎勇教授和他的學(xué)生天野浩利用鎂（Mg）元素，成功實現(xiàn)了氮化鎵的p型摻雜，開發(fā)了藍光LED，使白光LED照明成為可能。2014年，因表彰藍色LED對創(chuàng)建節(jié)能社會發(fā)揮的重要作用，赤崎勇、天野浩和中村修二（加州大學(xué)圣塔芭芭拉分校教授）分享了諾貝爾物理學(xué)獎。同時，日本名古屋大學(xué)，也被譽為“GaN技術(shù)的搖籃”。盡管自首次成功將Mg摻雜到GaN中已過去35年，但Mg在GaN中摻雜的完整機制，尤其是Mg的溶解度極限和偏析行為仍不清楚。這種不確定性限制了它們在光電子和電力電子器件中發(fā)揮應(yīng)有的卓越性能。

?? 諾獎團隊再次創(chuàng)新

為了提高 p 型 GaN 的導(dǎo)電性，該研究團隊，在 GaN 晶片上對沉積的金屬 Mg 薄膜進行圖案化，并在大氣壓下簡單地進行加熱，即在氮化鎵晶圓上沉積鎂薄膜后進行常規(guī)退火工藝。

隨后，該研究團隊利用最先進的電子顯微鏡成像技術(shù)觀察到了超晶格的自發(fā)形成，這種超晶格具有交替的 GaN 層和 Mg 層。這是極其罕見的實驗現(xiàn)象，因為 GaN 和 Mg 是兩種物理性質(zhì)差異很大的材料。

該團隊研究人員解釋道，“盡管 GaN 是一種具有混合離子和共價鍵的寬帶隙半導(dǎo)體，而 Mg 是一種具有金屬鍵的金屬，但這兩種不同的材料具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，六方 GaN 和六方 Mg 之間的晶格差異可以忽略不計，這是一個驚人的自然巧合。我們認為 GaN 和 Mg 之間的完美晶格匹配大大降低了創(chuàng)建結(jié)構(gòu)所需的能量，在這種超晶格的自發(fā)形成中起著關(guān)鍵作用。”

另外，這種獨特的插層行為（他們稱之為間隙插層）會導(dǎo)致主體材料產(chǎn)生壓縮應(yīng)變。具體來說，研究人員發(fā)現(xiàn)插入 Mg 層的 GaN 承受著超過 20 GPa 的高應(yīng)力，相當(dāng)于大氣壓的 200,000 倍，這是有史以來薄膜材料中記錄的最高壓縮應(yīng)變。這遠遠高于硅膜中常見的壓縮應(yīng)力（在 0.1 至 2 GPa 范圍內(nèi)）。由于這種應(yīng)變，電子薄膜的電子和磁性會發(fā)生顯著變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過空穴傳輸，GaN 中的電導(dǎo)率沿應(yīng)變方向顯著增強。

也就是說，利用這種簡單且低成本的方法，我們能夠增強 GaN 中空穴的傳輸。從而傳導(dǎo)更多電流，這也為增強GaN器件性能提供新選擇！

一位教授表示：“發(fā)現(xiàn) Mg 插入 GaN 超晶格結(jié)構(gòu)并確定 2D-Mg 摻雜的新機制，為表彰 III 族氮化物半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的開創(chuàng)性成就提供了難得的機會。”該教授在獲得諾貝爾獎 10 年后推動了這項技術(shù)的發(fā)展，他將這一及時的發(fā)現(xiàn)稱為“大自然的真正禮物”，它可能會開辟新的途徑并激發(fā)該領(lǐng)域更多的基礎(chǔ)研究。

目前，日本科學(xué)技術(shù)振興機構(gòu)通過 ASPIRE 計劃和 AdCORP 計劃資助了這項研究。該項目還得到了日本文部科學(xué)省、經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)省和日本學(xué)術(shù)振興會的支持。