1、研究背景

氮化镓（GaN）和镁（Mg）之间的相互作用，特别是在p型GaN中通过Mg原子的取代结合和激活（即零维（0D）Mg掺杂），首次引领了白色发光二极管的时代。然而，无论是由0D-Mg掺杂还是极化诱导的空穴气体引起的，低空穴迁移率，仍然是III族/氮化物半导体的主要限制。为了克服这一限制，类似于应变硅的策略，人们已经探索了通过施加应变来改变GaN的能带结构，以增强载流子迁移率。然而，在GaN中实现并保持高弹性应变以证明迁移率的增强，是一个极具挑战性的任务。

与此同时，在另一个研究领域中，插层技术作为制造人工层状结构的关键纳米技术，已展现出广泛的应用潜力，如范德华材料的剥离、储能、超导性和热导率的调控。范德华材料因其能够容易嵌入外来原子、离子和分子片而不引起过度应变，成为插层过程的首选主体。然而，将原子片插入具有强离子和共价键的单晶结构，如宽带隙半导体材料，则被视为一项极其艰巨的任务。

2、研究成果

近日，日本名古屋大学Hiroshi Amano（通讯作者）和王嘉（一作兼通讯作者）报道了一项突破性的发现：通过在大气压下对GaN上的金属Mg膜进行退火处理，可以自发地形成Mg嵌入的GaN超晶格。这是首次观测到二维金属嵌入块体半导体中， 每个Mg单层错综复杂地插入到六边形GaN的几个单层之间。形成了一种间隙夹层结构，导致垂直于夹层方向产生显著的单轴压缩应变。因此，Mg嵌入GaN超晶格中的GaN层表现出超过−10%的异常弹性应变（相当于超过20GPa的应力），这是薄膜材料有记录以来的最高值。这种应变不仅改变了电子能带结构，而且大大增强了空穴沿压缩方向的传输。此外，Mg层的嵌入在GaN极性中诱导了独特的周期性转变，产生了由极化场诱导的净电荷。这些特性为半导体掺杂、导电性增强以及纳米材料和金属-半导体超晶格的弹性应变工程提供了新的见解。相关研究工作以“Observation of 2D-magnesium-intercalated gallium nitride superlattices”为题发表在国际顶级期刊《Nature》上。

3、作者介绍

Hiroshi Amano，中文名天野浩，名古屋大学教授。诺贝尔物理学奖获得者（2014），日本工程院院士（2015），美国国家工程院外籍院士（2016），中国工程院外籍院士（2019）。专注于氮化物半导体材料与器件研究，特别是氮化镓材料生长和器件制备研究。‍

王嘉，名古屋大学高等研究院特任助理教授。本科毕业于同济大学，博士毕业于加州大学洛杉矶分校。专注于GaN/p型掺杂/光电子等领域研究。

4、研究内容

研究者报道了一种不寻常的现象：单原子Mg片自发嵌入到六方晶系GaN中，形成超晶格结构（MiGs），这一过程被称为2D Mg掺杂。

通过HAADF-STEM图像（图1a-d）揭示了MiGs结构的复杂细节。通常，单个连续的Mg夹层片的直径为几十纳米，在每对Mg片之间观察到5-10层GaN（图1c）。iDPC-SEM成像（图1d）能够在单一成像条件下对Ga、N和Mg原子进行可视化，证实了平衡片包括单一原子层。EDS和元素图谱（图1f，g）证实该单层完全由Mg组成。图1e为该区域的示意图，Mg层的间隙占据在ABAB堆叠序列之后，与相邻的六边形GaN层形成了ABCAB配准。位于C位置的每个Mg原子被六个N原子包围，占据八面体间隙位置（图1e）。这证实了间隙Mg（Mgi）向原子片中的偏析不会破坏六边形GaN的原始晶格对称性。

图1. Mg嵌入GaN超晶格

图2. 2D-Mgi夹层片引起的极性转变

图3. 间隙插层MiGs纳米结构中的高单轴压缩应变

图4. n型和p型GaN上MiGs的电特性

5、结论与展望

研究者首次报道了单原子Mg片自发嵌入到六方晶系GaN中，形成超晶格结构。MiGs结构中增强的空穴传输也大大有助于GaN p-n结二极管和p型GaN肖特基势垒二极管的卓越性能，突出了这些纳米结构在广泛电子器件应用中的巨大技术潜力。除了调整电子能带结构和改善光学、电学性质外，应变GaN引起的热输运的增强以及其他新兴的物理性质也即将出现。从这种自发形成的结构中汲取灵感，制造成分精确、厚度控制均匀的人工超材料也很有意义。因此，MiGs的层状结构不仅为研究金属-半导体超晶格的能带结构和输运性质提供了新工具，更为开发先进材料和器件开辟了新途径。

文献链接：

https://www.nature.com/articles/s41586-024-07513-x