吉林大学张伟教授、张立军教授、中科院长春光机所黎大兵研究员等Nano Lett： AlN/Al2O3界面新的原子重构

第一作者：姜周（吉林大学），黄兆基（吉林大学）

通讯作者：张伟*，张立军*，黎大兵*

单位：吉林大学，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所

纤锌矿型氮化铝（AlN）作为第四代半导体的代表，具有6.2 eV的宽带隙，这使得其在光电器件领域应用广泛，尤其是发光二极管和深紫外光电器件等。此外，其在高功率、高频率电子器件也具有很大的应用潜力。考虑到生产成本等问题，同样具有六方结构的α-氧化铝（α-Al₂O₃）具有出色的化学稳定性和热稳定性，几乎是AlN外延生长的唯一选择。然而，AlN与Al₂O₃的晶格常数不相同，二者在形成异质结时界面处会产生许多失配位错，界面匹配程度较差，直接导致了AlN基光电器件性能较差。同时，在Al₂O₃衬底上获得高质量外延生长的AlN也较为困难。在原子尺度下，将界面结构与异质结性质相互关联，是解决异质结界面性能以及晶体生长问题的关键，但有关AlN/Al₂O₃界面的研究相对甚少，该异质结界面处的结构尚不完全明确。

通常来说，异质结两相的晶格常数相差越大，形成界面失配程度就越大。尽管Al₂O₃是外延生长AlN的首选衬底，二者之间由于晶格常数不匹配导致的界面失配度较大，约为12%。异质结界面形成时，结构的平移对称性会被破坏，这会引起电化学电位梯度，特别是在大失配体系下，可能产生原子与电子结构的重构，界面处会变得更加复杂。界面重构会导致界面两相的原子进行迁移，每一个原子在界面处的排布方式都会对异质结性质产生显著的影响，因此，精准确定重构界面的原子结构和化学成分至关重要。复杂的重构使得我们无论在实验上还是理论上都很难探究清楚AlN/Al₂O₃的界面结构。许多表征手段都可以用于探究异质结的结构，如高分辨X射线衍射（XRD），但其只能表征样品相对宏观的结构，难以探究界面处的微观结构。近期新兴的扫描-拉曼联用技术可以选取极小的微区进行结构与成分分析，然而其受到分辨率的限制，不能提供原子级别的信息。幸运的是，球差矫正的扫描透射电子显微镜具有亚埃级分辨率，可以很好的呈现界面处原子排布方式。此外，配备的电子能量损失谱（EELS）可以获得原子级的成键信息和化学成分信息，有希望解析AlN/Al₂O₃复杂界面的原子结构与电子结构。

基于此，来自吉林大学张伟教授，张立军教授联合中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵研究员，在国际顶级期刊Nano Letters上发表题为“Discovery of a Structure Mediated by a Reconstructed Aluminum Atomic Layer at an AlN/Al₂O₃ Interface”的研究论文。该论文研究了AlN/Al₂O₃异质结界面处的原子重构。通过电子显微技术、理论计算与模拟相结合的方法，探究了大晶格失配体系中经典Al–O–N界面的原子尺度结构特征。研究通过像差校正扫描透射电子显微镜，观测到由铝原子介导的重构原子层；通过电子能量损失谱明确了界面区域Al–O与Al–N化学键的共存。同时，结合第一性原理计算结果，首次精确揭示了界面O/N原子1:2的占比关系，并阐明带隙的减小主要归因于Al–O键的弱化。这一发现为深入理解复杂界面提供了生动的范例。

示意图： 发生界面重构的AlN/Al₂O₃异质结的表征。

要点一：不同AlN/Al₂O₃异质结原子模型的对比

Figure 1. Comparison of atomic models for AlN/Al₂O₃ heterostructures. (a) Conventional Al−O terminal interface. (b) Al−O terminal interface in a system with larger lattice mismatch. (c) Newly formed interface with reconstructed Al atoms indicated by yellow arrows.

图1展示了不同AlN/Al₂O₃异质结原子模型的对比。具体来说：（a）展示了传统认知下的AlN/Al₂O₃界面，其中界面处为AlN的Al终端与Al₂O₃的O终端相互作用。（b）为在更大晶格失配体系下的AlN/Al₂O₃异质结模型，界面处仍为Al–O键合。（c）为该研究发现的新型AlN/Al₂O₃异质结模型，界面处发生了原子重构，且界面处键合为Al–O与Al–N混合，O/N为1:2。其中，重构界面层的Al原子用黄色箭头标出。

要点二：AlN/Al₂O₃异质结的结构表征

Figure 2. Structural characterization of the AlN/Al₂O₃ heterojunction. (a) XRD θ−2θ scans of the heterojunction. (b) XRD ϕ scan of the AlN film and Al₂O₃ substrate. (c) Rocking curve measurement of the AlN film. TEM bright-field image (d) along the [11−20]AlN||[1−100] Al₂O₃ crystal zone axis, with the corresponding SAED pattern (e) and simulated electron diffraction pattern (f). TEM darkfield image (g) along the [1−100]AlN||[10−10] Al₂O₃ crystal zone axis, with the corresponding SAED pattern (h) and simulated electron diffraction pattern (i). Scale bar: 100 nm.

图2展示了AlN/Al₂O₃异质结的结构表征。（a）为异质结的X射线衍射（XRD） 2θ扫描谱图，表明了AlN薄膜与Al₂O₃衬底的取向关系，其中AlN沿Al₂O₃[0001]取向外延生长。（b）为异质结的XRD ϕ扫描谱图，表明薄膜与衬底在面内具有30°的扭转关系。（c）为AlN薄膜的摇摆曲线测试，表明薄膜具有良好的结晶度。（d）为沿[11−20]AlN || [1−100]Al₂O₃取向下异质结界面的透射电子显微镜（TEM）明场像，（e）和（f）分别展示了该取向下的选取电子衍射（SAED）花样和SAED模拟花样，进一步表明了AlN与Al₂O₃的取向关系，两套衍射斑点产生较大的分离也说明该异质结属于大晶格失配体系。（g）展示了沿[1−100]AlN || [10−10]Al₂O₃取向下异质结界面的TEM暗场像，（h）与（i）分别为该取向下的SAED花样和SAED模拟花样。标尺：100 nm。

要点三：AlN/Al₂O₃异质结界面的原子尺度表征

Figure 3. Atomic-scale characterization of the AlN/Al₂O₃ heterojunction. (a) Low-pass-filtered HAADF-STEM image along the [11−20]AlN||[1−100]Al₂O₃ crystal zone axis. (b) Low-pass-filtered HAADF-STEM image along the [1−100]AlN||[10−10]Al₂O₃ crystal zone axis. (c) High-loss EELS spectra for different atomic layers in part b. (d−e) High-magnification images of the interface region in parts a and b, revealing more details. (f) Crystallographic models of the interface all-O and all-N constructed based on the reconstructed interface. Scale bar: 1 nm.

图3展示了AlN/Al₂O₃异质结界面的原子尺度表征。（a）与（b）分别展示了沿[11−20]AlN || [1−100]Al₂O₃以及沿[1−100]AlN || [10−10]Al₂O₃取向下的高角度环形暗场扫描透射电子显微（HAADF-STEM）图像，为了使细节更加清晰，图像进行了低通滤波处理。在两个不同的取向下，观测到界面处发生了原子重构现象，重构原子层中Al原子具有周期性的排布方式，其不同于AlN体相和Al₂O₃体相部分。（d）和（e）分别为（a）和（b）的局部放大图，便于展示更多细节。其中，重构原子层中Al原子的位点用黄色圆圈标出。（c）为对应（b）中不同序号原子层的电子能量损失谱（EELS）核心损失区谱图，序号5、6显示出强烈的O-K边峰与N-K边峰，表明界面处为Al–O与Al–N共同作用键合。通过拟合相对截面对界面层O，N含量进行计算，界面处O/N约为0.58。图（f）为基于重构原子层的界面全O以及界面全N的原子模型，便于与后续O，N混合模型进行比较。标尺：1 nm。

要点四：AlN/Al₂O₃异质结界面的电子结构讨论

Figure 4. Electronic structure of the AlN/Al₂O₃ heterojunction. (a) Low-pass-filtered HAADF-STEM image of the AlN/Al₂O₃ heterojunction along the [11−20]AlN||[1−100] Al₂O₃ zone axis. The inset shows an atomic model of the reconstructed interface layer, where the O and N atoms are in a 1:2 ratio. The Al atoms at the reconstructed interface are highlighted with yellow arrows. (b) LDOS maps corresponding to atomic columns 1, 2, and 3 from the atomic model in part a. Scale bar: 1 nm.

要点五：AlN/Al₂O₃异质结界面的STEM模拟

Figure 5. STEM simulations of the AlN/Al₂O₃ heterojunction interface. STEM simulations along the [11−20]AlN||[1−100] Al₂O₃ crystal zone axis: (a) ABF, (b) HAADF, and (c) the corresponding atomic model. STEM simulations along the [1−100]AlN||[10−10] Al₂O₃ crystal zone axis: (d) ABF, (e) HAADF, and (f) the corresponding atomic model.

图5展示了基于1O2N原子模型的STEM模拟图像。（a~c）分别为沿[11−20]AlN || [1−100]Al₂O₃取向下的环形明场（ABF）-STEM图像，HAADF-STEM图像以及相应的原子模型。（d~f）分别为沿[1−100]AlN || [10−10]Al₂O₃取向下的ABF-STEM图像，HAADF-STEM图像以及相应的原子模型。STEM模拟图像与实验结果匹配良好，进一步证实了界面重构的发生。

本文通过综合运用扫描透射电子显微术（STEM）、电子能量损失谱（EELS）及第一性原理计算，我们揭示了高失配AlN/Al₂O₃异质结体系的界面重构现象，并系统研究了重构界面的原子与电子结构特征。重构层中的铝原子呈现过渡态周期性排布，在界面处同时与氧、氮原子成键，且O与N原子比例为1:2。这一多尺度研究方法不仅深化了对复杂界面行为的理解，更为调控异质结性能以实现先进应用潜力提供了新思路。

Discovery of a Structure Mediated by a Reconstructed Aluminum Atomic Layer at an AlN/Al₂O₃ Interface