新型半导体，氮化镓结构电子密度增至3倍以上

极性纤锌矿氮化物半导体，例如氮化铝（AlN）和氮化镓（GaN），凭借宽禁带、高击穿电场，以及较强的自发极化与压电极化效应，成为现代大功率、高频电子器件的核心材料。

在AlN/GaN异质界面处，极化差异无需人为掺杂，即可产生具备高载流子密度与迁移率的二维电子气（2DEG）。这种二维电子气是氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）的工作基础。

在范围更广的纤锌矿氮化物体系中，极化效应支撑着各类功能实现，既包括传统的压电驱动，也涵盖铁电开关。该领域的一项重要研究目标，是拓展可适配氮化镓工艺平台的极性氮化物材料体系。钪铝氮（ScAlN）的发现是一个重要里程碑，也推动业界对极性纤锌矿合金开展更广泛的研究。

铌（Nb）是一种颇具研究价值，但实现难度很高的合金元素。铌属于过渡金属，d轨道未填满，通常会生成金属性的岩盐相氮化铌（NbN）。铌原材料储量充足，适配溅射沉积工艺。但此前尚不清楚，铌能否掺入氮化铝，同时维持长程纤锌矿晶体结构、外延质量以及统一的极性。

在一项新研究（发表于《Advanced Materials》）中，由日本东京理科大学（TUS）材料科学与技术系Atsushi Kobayashi副教授牵头，东京大学、三重大学科研人员共同参与的联合团队，首次在氮化镓衬底上外延生长出单晶极性纤锌矿铌铝氮（NbAlN）薄膜。

极性纤锌矿铌铝氮（NbAlN），一种过渡金属基氮化物半导体，可保留氮化镓的晶体结构与极性。

“本研究证实，NbAlN属于一类此前未被发现的过渡金属基极性氮化物半导体，”Atsushi Kobayashi博士解释道，“NbAlN薄膜既保留纤锌矿晶体结构，也延续底层氮化镓的金属极性。”

研究人员采用反应溅射外延工艺，在氮化镓上制备铌占比11%‑37% 的NbAlN薄膜。铌含量最高25% 的样品，表面平整，可形成与氮化镓匹配的完整纤锌矿晶体结构；而铌含量37% 的样品表面明显粗糙化，晶体质量发生劣化。X射线衍射结果进一步显示，垂直方向晶格参数会随铌含量提升呈规律性增大。

为判断掺入铌之后材料极性是否得以保留，团队利用原子级分辨率扫描透射电子显微镜对薄膜开展观测。对厚度约25 nm、铌占比23% 的NbAlN薄膜观测显示，被测区域与底层氮化镓保持一致的金属极性堆叠结构。研究人员同时观测到成分富集铌的纳米尺度区域。尽管存在成分波动，纤锌矿晶格仍保持连续，不存在晶界，也没有生成弛豫次生相。

为验证该材料的实际作用，研究人员将NbAlN势垒层嵌入AlGaN/AlN/GaN基准异质结构，搭建NbAlN/AlGaN/AlN/GaN叠层结构。经过优化的NbAlN异质结构，面电子密度提升两倍以上，同时维持室温迁移率。

对于775 ℃下制备、厚度13 nm、铌占比10% 的NbAlN势垒层，面电子密度由基准结构的约5.1 × 10¹² cm⁻² 提升至1.7 × 10¹³ cm⁻²，增幅超两倍。其室温电子迁移率为1485 cm²・V⁻¹・s⁻¹，基准结构为1690 cm²・V⁻¹・s⁻¹；在80 K低温条件下迁移率可达6800 cm²・V⁻¹・s⁻¹。上述结果印证：NbAlN势垒层可以通过极化效应调控载流子。

该研究成果对氮化镓材料、功率及射频半导体器件领域的科研人员与厂商具备参考价值。后续工作将测定NbAlN的极化常数与能带对齐参数，更深入研究界面与杂质效应，并制备晶体管器件，验证该势垒材料对器件性能带来的实际影响。

“铌容易生成金属氮化物，想要把它掺入氮化铝的极性纤锌矿结构并不容易。我们从原子尺度证实：体系内可以形成富铌纳米区域，同时维持连续晶格，并且和氮化镓保持相同极性。”Atsushi Kobayashi博士总结说，“这项研究开辟了一类全新的过渡金属基极性氮化物半导体，为氮化镓异质结构的载流子密度设计提供更多选择。”