Поразительно естественное совпадение: исследователи обнаружили, что при нагревании нитрида галлия и магния образуется сверхрешетка.

Важные новости

Поразительно естественное совпадение : Исследователи обнаружили, что при нагревании нитрида галлия и магния образуется сверхрешетка

Термическая обработка металлического магния на полупроводнике нитрида галлия приводит к образованию характерной сверхрешеточной структуры. Атомы магния, азота и галлия показаны оранжевым, синим и серым цветом соответственно. Фото: Цзя Ван

Исследование, проведенное Нагойским университетом в Японии, показало, что простая термическая реакция нитрида галлия (GaN) с металлическим магнием (Mg) приводит к образованию характерной сверхрешетчатой ​​структуры. Это первый случай, когда исследователи обнаружили внедрение 2D-слоев металла в объемный полупроводник.

Внимательно наблюдая за материалами с помощью различных передовых методов определения характеристик, исследователи открыли новое понимание процесса легирования полупроводников и разработки упругих деформаций. Результаты своих исследований они опубликовали в журнале Nature.

GaN — важный полупроводниковый материал с широкой запрещенной зоной, который может заменить традиционные кремниевые полупроводники в приложениях, требующих более высокую плотность мощности и более высокие рабочие частоты. Эти отличительные характеристики GaN делают его ценным в таких устройствах, как светодиоды, лазерные диоды и силовая электроника, включая критически важные компоненты электромобилей и быстрых зарядных устройств. Улучшенные характеристики устройств на основе GaN способствуют созданию энергосберегающего общества и углеродно-нейтрального будущего.

В полупроводниках существует два основных и взаимодополняющих типа электропроводности: p-тип и n-тип. Полупроводник p-типа содержит в основном свободные носители, несущие положительные заряды, известные как дырки, тогда как полупроводник n-типа проводит электричество через свободные электроны.

Полупроводник приобретает проводимость p-типа или n-типа в результате процесса. называемое легированием, которое относится к преднамеренному введению определенных примесей (известных как легирующие примеси) в чистый полупроводниковый материал с целью значительного изменения его электрических и оптических свойств.

В области полупроводников GaN Mg является единственным известным элементом, создающим проводимость p-типа до сих пор. Несмотря на 35 лет с момента первого успеха легирования Mg в GaN, полные механизмы легирования Mg в GaN, особенно предел растворимости и сегрегационные свойства Mg, остаются неясными. Эта неопределенность ограничивает их оптимизацию для оптоэлектроники и электроники.

Чтобы улучшить проводимость GaN p-типа, Цзя Ван, первый автор исследования, и его коллеги провели эксперимент, в ходе которого они нанесли тонкие пленки металлического магния на пластины GaN и нагрели их при высокой температуре — традиционный процесс. известный как отжиг.

С помощью современного электронного микроскопа ученые наблюдали спонтанное образование сверхрешетки с чередующимися слоями GaN и Mg. Это особенно необычно, поскольку GaN и Mg — это два типа материалов со значительными различиями в своих физических свойствах.

Поразительно естественное совпадение: Исследователи обнаружили, что при нагревании нитрида галлия и магния образуется сверхрешетка

Сверхрешетки GaN, интеркалированные магнием. Фото: Природа (2024 г.). DOI: 10.1038/s41586-024-07513-x

«Хотя GaN представляет собой широкозонный полупроводник со смешанной ионной и ковалентной связью, а Mg — металл с металлической связью, эти два разнородных материала имеют одинаковую кристаллическую структуру, и это поразительно естественное совпадение, что разница в решетке между гексагональным GaN и гексагональный Mg пренебрежимо мал», — сказал Ван.

«Мы думаем, что идеальное совпадение решеток между GaN и Mg значительно снижает энергию, необходимую для создания структуры, играя решающую роль в спонтанном образовании такого магния. сверхрешетка.»

Исследователи определили, что это уникальное поведение интеркаляции, которое они назвали интерстициальной интеркаляцией, приводит к сжимающей деформации материала-хозяина. В частности, они обнаружили, что GaN, в который вставлены слои Mg, выдерживает высокое напряжение более 20 ГПа, что эквивалентно атмосферному давлению в 200 000 раз, что делает его самой высокой деформацией сжатия, когда-либо зарегистрированной в тонкопленочном материале. Это намного больше, чем сжимающие напряжения, обычно встречающиеся в кремниевых пленках (в диапазоне от 0,1 до 2 ГПа).

Из-за этой деформации тонкие электронные пленки могут претерпевать значительные изменения электронных и магнитных свойств. Исследователи обнаружили, что электропроводность в GaN за счет транспорта дырок значительно увеличивается в направлении деформации.

«Используя такой простой и недорогой подход, мы смогли улучшить транспорт дырок в GaN, который проводит больший ток», — сказал Ван. «Это интересное открытие о взаимодействии полупроводника с металлом может дать новое представление о легировании полупроводников и улучшить характеристики устройств на основе GaN».

Университет Нагои и GaN

Тот факт, что это исследование проводилось в Университете Нагои, вполне уместен, учитывая его репутацию «колыбели технологии GaN». Хироши Амано, автор текущего исследования, и Исаму Акасаки из Университета Нагои разработали первые светодиоды синего света в конце 1980-х годов, используя GaN, легированный Mg. Их вклад, за который они получили Нобелевскую премию по физике в 2014 году, сыграл важную роль в создании более энергоэффективного общества.

«Открытие структур сверхрешетки GaN, интеркалированных Mg, и выявление нового механизма легирования 2D-Mg предлагают с трудом заработанную возможность воздать должное пионерским достижениям в области исследования полупроводников III-нитридов», — сказал Ван. Продвинув технологию спустя 10 лет после Нобелевской премии, Ван назвал это своевременное открытие «истинным даром природы», который потенциально может открыть новые пути и вдохновить на более фундаментальные исследования в этой области.

Среди авторов этого исследования из Университета Нагои были Цзя Ван, Вентао Кай, Шунь Лу, Эми Кано, Биплаб Саркар, Хиротака Ватанабэ, Нобуюки Икараши, Ёсио Хонда и Хироши Амано. Помимо Университета Нагои, в этом исследовании также приняли участие исследователи из Университета Мейдзё и оптическая группа под руководством профессора Макото Накаджимы из Университета Осаки.

Дополнительная информация: Цзя Ван и др., Наблюдение за двумерными сверхрешетками нитрида галлия с интеркалированным магнием, Nature (2024). DOI: 10.1038/s41586-024-07513-x

Информация о журнале: Nature

Предоставлено Университетом Нагои

Новости сегодня

Последние новости