2022年6月3日，Nature Communications期刊刊出了廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院蔡端俊教授課題組、康俊勇教授團隊發(fā)表的題為“Towardsn-Type Conductivity in Hexagonal Boron Nitride”的最新研究成果論文。該論文建立了一套調(diào)控超寬禁帶二維半導(dǎo)體導(dǎo)電類型的理論和摻雜技術(shù)，提出犧牲性雜質(zhì)的軌道耦合技術(shù)，以調(diào)控二維六方氮化硼（h-BN）中的施主能級淺能化，在實驗上第一次成功獲得二維半導(dǎo)體h-BN的n型導(dǎo)電。該研究為解決寬禁帶半導(dǎo)體中n、p型導(dǎo)電嚴(yán)重不對稱的根本性難題，開發(fā)新型二維光電器件，提出了創(chuàng)新見解和技術(shù)路線。
pn結(jié)是構(gòu)筑光電子器件的重要基本結(jié)構(gòu)。寬禁帶半導(dǎo)體（如AlN、GaN、h-BN等）天然就存在著，嚴(yán)重的p、n型摻雜不對稱和電導(dǎo)不對稱的根本性難題。也就是說，一旦其n型導(dǎo)電容易獲得，p型導(dǎo)電則非常困難，反之亦然。對于近年來受到廣泛關(guān)注的新型超寬帶隙（> 6 eV）h-BN半導(dǎo)體，p型導(dǎo)電較早就已實現(xiàn)，但n型導(dǎo)電問題至今一直無法獲得突破。
蔡端俊教授課題組最近在研究中發(fā)現(xiàn)，h-BN中的傳統(tǒng)n型施主雜質(zhì)能級（如Ge）在禁帶中位置都很深，是導(dǎo)致其難以電離激活導(dǎo)電的本質(zhì)原因；因此提出了，如果能附加引入另一個犧牲性配位雜質(zhì)，與Ge的軌道進行耦合，則可能調(diào)控其雜質(zhì)能級位置，甚至使其位置變淺。實際探索中發(fā)現(xiàn)，O雜質(zhì)符合了該犧牲性雜質(zhì)的特征，利用O的2pz軌道與Ge的4pz軌道之間強烈的耦合作用，可引發(fā)π鍵和π*鍵能級的分裂，由于系統(tǒng)能級總能的守恒，當(dāng)通過分裂產(chǎn)生其中一個犧牲性的、更深的能級，則可以有效地將另一個施主能級推高，致使其成為極淺的能級，離化能可減小至接近0 meV而獲得有效導(dǎo)電。
實驗上，采用低壓化學(xué)氣相外延（LPCVD）方法，引入GeO2作為配位摻雜劑，實現(xiàn)了Ge-O雜質(zhì)向二維h-BN薄膜的原位耦合摻雜，通過退火處理，成功在單層h-BN中獲得了高達到100 nA的n型電流，自由電子濃度達到了1.94×1016cm-3量級。這是目前國際上第一次終于在超寬禁帶半導(dǎo)體h-BN中實現(xiàn)有效的n型導(dǎo)電。課題組同時還完成n型h-BN與p型GaN的垂直型pn結(jié)的制備和表征，獲得了高整流比(167.7)和超低本征電容(pF量級)，展現(xiàn)出開發(fā)未來新型高頻、高響應(yīng)光電子器件的巨大優(yōu)勢。
該研究工作是蔡端俊課題組在寬禁帶半導(dǎo)體方向，繼高效透明深紫外LED及新冠病毒瞬滅技術(shù)（新聞報道：廈大研發(fā)光子消殺新科技，新冠病毒滅活率達99.93%！ (qq.com)）之后，又一項探索新型超寬禁帶半導(dǎo)體材料的最新成果。
該論文工作由廈門大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院團隊獨立完成，博士生盧詩強為第一作者、博士生沈鵬為共同第一作者，蔡端俊教授為該論文的通訊作者。該研究獲得了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、福建省科技計劃等項目的資助。
