研究人员发现加热氮化镓和镁会形成超晶格

日本名古屋大学牵头的一项研究表明，氮化镓(GaN)与金属镁(Mg)的简单热反应会形成独特的超晶格结构。这是研究人员首次发现将二维金属层插入块状半导体中。

通过各种尖端表征技术仔细观察材料，研究人员对半导体掺杂和弹性应变工程过程有了新的认识。他们在《自然》杂志上发表了他们的研究成果。

GaN 是一种重要的宽带隙半导体材料，有望在需要更高功率密度和更快工作频率的应用中取代传统的硅半导体。GaN 的这些独特特性使其在 LED、激光二极管和电力电子等设备中具有重要价值，包括电动汽车和快速充电器中的关键部件。基于 GaN 的设备性能的提高有助于实现节能社会和碳中和的未来。

半导体有两种基本且互补的导电类型：p 型和 n 型。p 型半导体主要以携带正电荷的自由载流子(称为空穴)为特征，而 n 型半导体则通过自由电子导电。

半导体通过掺杂的过程获得 p 型或 n 型导电性，掺杂是指故意将特定杂质(称为掺杂剂)引入纯半导体材料中，以极大地改变其电学和光学特性。

在GaN半导体领域，Mg是迄今为止已知的唯一能够产生p型导电性的元素。尽管自首次成功将Mg掺杂到GaN中已有35年，但Mg在GaN中掺杂的完整机制，尤其是Mg的溶解度极限和偏析行为仍不清楚。这种不确定性限制了它们在光电子学和电子学方面的优化。

为了提高 p 型 GaN 的导电性，该研究的第一作者贾王和他的同事进行了一项实验，他们在 GaN 晶片上对沉积的金属 Mg 薄膜进行图案化，并在高温下加热它们——这一传统工艺称为退火。

科学家们利用最先进的电子显微镜成像技术观察到了超晶格的自发形成，这种超晶格具有交替的 GaN 层和 Mg 层。这尤其不寻常，因为 GaN 和 Mg 是两种物理性质差异很大的材料。