厦大蔡端俊教授课题组在实验上第一次成功获得二维半导体h-BN的n型导电

2022年6月3日，Nature Communications期刊刊出了厦门大学物理科学与技术学院蔡端俊教授课题组、康俊勇教授团队发表的题为“Towardsn-Type Conductivity in Hexagonal Boron Nitride”的最新研究成果论文。该论文建立了一套调控超宽禁带二维半导体导电类型的理论和掺杂技术，提出牺牲性杂质的轨道耦合技术，以调控二维六方氮化硼（h-BN）中的施主能级浅能化，在实验上第一次成功获得二维半导体h-BN的n型导电。该研究为解决宽禁带半导体中n、p型导电严重不对称的根本性难题，开发新型二维光电器件，提出了创新见解和技术路线。

pn结是构筑光电子器件的重要基本结构。宽禁带半导体（如AlN、GaN、h-BN等）天然就存在着，严重的p、n型掺杂不对称和电导不对称的根本性难题。也就是说，一旦其n型导电容易获得，p型导电则非常困难，反之亦然。对于近年来受到广泛关注的新型超宽带隙（> 6 eV）h-BN半导体，p型导电较早就已实现，但n型导电问题至今一直无法获得突破。

蔡端俊教授课题组最近在研究中发现，h-BN中的传统n型施主杂质能级（如Ge）在禁带中位置都很深，是导致其难以电离激活导电的本质原因；因此提出了，如果能附加引入另一个牺牲性配位杂质，与Ge的轨道进行耦合，则可能调控其杂质能级位置，甚至使其位置变浅。实际探索中发现，O杂质符合了该牺牲性杂质的特征，利用O的2p_z轨道与Ge的4p_z轨道之间强烈的耦合作用，可引发π键和π*键能级的分裂，由于系统能级总能的守恒，当通过分裂产生其中一个牺牲性的、更深的能级，则可以有效地将另一个施主能级推高，致使其成为极浅的能级，离化能可减小至接近0 meV而获得有效导电。

实验上，采用低压化学气相外延（LPCVD）方法，引入GeO₂作为配位掺杂剂，实现了Ge-O杂质向二维h-BN薄膜的原位耦合掺杂，通过退火处理，成功在单层h-BN中获得了高达到100 nA的n型电流，自由电子浓度达到了1.94×10¹⁶cm^-3量级。这是目前国际上第一次终于在超宽禁带半导体h-BN中实现有效的n型导电。课题组同时还完成n型h-BN与p型GaN的垂直型pn结的制备和表征，获得了高整流比(167.7)和超低本征电容(pF量级)，展现出开发未来新型高频、高响应光电子器件的巨大优势。

该研究工作是蔡端俊课题组在宽禁带半导体方向，继高效透明深紫外LED及新冠病毒瞬灭技术（新闻报道：厦大研发光子消杀新科技，新冠病毒灭活率达99.93%！ (qq.com)）之后，又一项探索新型超宽禁带半导体材料的最新成果。

该论文工作由厦门大学物理科学与技术学院团队独立完成，博士生卢诗强为第一作者、博士生沈鹏为共同第一作者，蔡端俊教授为该论文的通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省科技计划等项目的资助。

论文下载链接：https://www.nature.com/articles/s41467-022-30762-1