氮化鎵上首次長出氮化鈮鋁薄膜，界面電子密度增為三倍：東京理科大實驗室成果

如果你關心高功率電力轉換與高頻通訊元件，這篇跟你有關：決勝點常常不在軟體，而在一層奈米厚的材料。

電子高速公路是怎麼長出來的

氮化鋁（AlN）與氮化鎵（GaN）這類極性纖鋅礦氮化物，能隙寬、崩潰電場高，又兼具自發極化與壓電極化。兩者貼合時，極化差會在界面自動生出高密度、高移動率的「二維電子氣」，不必刻意摻雜。講白話，兩種材料一疊，界面就自己浮出一條電子高速公路，這正是GaN高電子移動率電晶體（HEMT）的運作基礎。這個領域長年的目標，就是擴充能與GaN相容的極性氮化物家族，氮化鈧鋁（ScAlN）曾是一座里程碑。

鈮是個難搞的候選人

鈮是d軌域部分填滿的過渡金屬，平常只肯形成金屬性的岩鹽結構氮化鈮；好處是取得容易、也適合濺鍍製程。難處在於沒人確定它塞進AlN之後，長程纖鋅礦結構、磊晶品質與極性一致性還撐不撐得住。翻成人話：這位新成員個性偏金屬，硬排進半導體的隊伍，整排都可能歪掉。

東京理科大首次長出NbAlN

東京理科大學材料科學技術系副教授Atsushi Kobayashi與東京大學、三重大學團隊，首次在GaN基板上磊晶長出單晶極性纖鋅礦NbAlN薄膜，發表於《Advanced Materials》。「NbAlN薄膜同時保留了纖鋅礦結構與底下GaN的金屬極性，」Kobayashi說。團隊以反應式濺鍍磊晶做出含鈮11%到37%的樣品，25%以下表面平整、晶格與GaN一致，37%那片明顯粗糙。原子解析度電顯下，一片約25奈米厚、含鈮23%的薄膜在觀察區內極性與GaN相同，即使出現富鈮奈米區，晶格仍連續、無晶界。

電子多了三倍，車速幾乎沒掉

把NbAlN當阻障層插進AlGaN/AlN/GaN參考結構：13奈米厚、含鈮10%、775°C成長的那組，片電子密度從約5.1×10¹²升到1.7×10¹³ cm⁻²，超過三倍；室溫移動率1,485 cm²V⁻¹s⁻¹（參考結構為1,690），80K時達6,800。白話說，路上的車變多，車速卻幾乎沒被拖慢。

還沒裝上車

這是材料層級的成果，不是元件。團隊接著才要量測極化常數與能帶對齊、細查界面與雜質效應，並實際做出電晶體。Kobayashi說，這項工作「建立了一個新的含過渡金屬極性氮化物半導體家族」，擴充了設計GaN異質結構載子密度的選項。若元件驗證站得住腳，高功率電力轉換與高頻通訊元件的設計，就多了一張牌。這帳還沒算完。

資料來源

phys.org 原文：New nitride semiconductor expands material options for more powerful electronics（Tokyo University of Science 提供）

論文：Atsushi Kobayashi et al., “Polar Wurtzite NbAlN: A Transition-Metal Nitride Alloy for Polarization-Engineered GaN Heterostructures”, Advanced Materials (2026). DOI: 10.1002/adma.74756｜研究單位：東京理科大學、東京大學、三重大學