名古屋大學(xué)諾獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)Nature：GaN新型超晶格結(jié)構(gòu)，為增強(qiáng)GaN器件性能提供選擇！

近日，日本名古屋大學(xué)（Nagoya University）的一項(xiàng)新研究發(fā)現(xiàn)，將氮化鎵（GaN）和鎂（Mg）簡(jiǎn)單熱反應(yīng)就會(huì)形成獨(dú)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(shí)這項(xiàng)新結(jié)構(gòu)的發(fā)現(xiàn)，打開(kāi)了半導(dǎo)體材料新型摻雜機(jī)制和薄膜材料新型形變機(jī)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(zèng)”，它可能會(huì)開(kāi)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(jì)的《2023年下一代功率器件和電力電子相關(guān)設(shè)備市場(chǎng)的現(xiàn)狀和未來(lái)》，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(chǎng)預(yù)計(jì)將增長(zhǎng)，2035年預(yù)計(jì)將比2022年增長(zhǎng)31.1倍，達(dá)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(dú)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(jià)值，包括電動(dòng)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(shí)現(xiàn)節(jié)能社會(huì)和碳中和的未來(lái)。

???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(lái)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(bǔ)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(guò)自由電子導(dǎo)電。半導(dǎo)體通過(guò)摻雜的過(guò)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(shí)現(xiàn)了氮化鎵的p型摻雜，開(kāi)發(fā)了藍(lán)光LED，使白光LED照明成為可能。2014年，因表彰藍(lán)色LED對(duì)創(chuàng)建節(jié)能社會(huì)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(jiǎng)。同時(shí)，日本名古屋大學(xué)，也被譽(yù)為“GaN技術(shù)的搖籃”。盡管自首次成功將Mg摻雜到GaN中已過(guò)去35年，但Mg在GaN中摻雜的完整機(jī)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?cè)诠怆娮雍?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/518454.html">電力電子器件中發(fā)揮應(yīng)有的卓越性能。

?? 諾獎(jiǎng)團(tuán)隊(duì)再次創(chuàng)新

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

隨后，該研究團(tuán)隊(duì)利用最先進(jìn)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(jiàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，因?yàn)?GaN 和 Mg 是兩種物理性質(zhì)差異很大的材料。

該團(tuán)隊(duì)研究人員解釋道，“盡管 GaN 是一種具有混合離子和共價(jià)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(jì)，這是一個(gè)驚人的自然巧合。我們認(rèn)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(dú)特的插層行為（他們稱之為間隙插層）會(huì)導(dǎo)致主體材料產(chǎn)生壓縮應(yīng)變。具體來(lái)說(shuō)，研究人員發(fā)現(xiàn)插入 Mg 層的 GaN 承受著超過(guò) 20 GPa 的高應(yīng)力，相當(dāng)于大氣壓的 200,000 倍，這是有史以來(lái)薄膜材料中記錄的最高壓縮應(yīng)變。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于硅膜中常見(jiàn)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(huì)發(fā)生顯著變化。研究人員發(fā)現(xiàn)，通過(guò)空穴傳輸，GaN 中的電導(dǎo)率沿應(yīng)變方向顯著增強(qiáng)。

也就是說(shuō)，利用這種簡(jiǎn)單且低成本的方法，我們能夠增強(qiáng) GaN 中空穴的傳輸。從而傳導(dǎo)更多電流，這也為增強(qiáng)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(jī)制，為表彰 III 族氮化物半導(dǎo)體研究領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性成就提供了難得的機(jī)會(huì)。”該教授在獲得諾貝爾獎(jiǎng) 10 年后推動(dòng)了這項(xiàng)技術(shù)的發(fā)展，他將這一及時(shí)的發(fā)現(xiàn)稱為“大自然的真正禮物”，它可能會(huì)開(kāi)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(jī)構(gòu)通過(guò) ASPIRE 計(jì)劃和 AdCORP 計(jì)劃資助了這項(xiàng)研究。該項(xiàng)目還得到了日本文部科學(xué)省、經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省和日本學(xué)術(shù)振興會(huì)的支持。