【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】六方氮化硼(hBN)是重要的超寬禁帶半導(dǎo)體材料，具有類石墨烯層狀結(jié)構(gòu)和獨(dú)特的光電特性，在深紫外發(fā)光器件和探測器領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。早在2007年，科研人員就開展了對hBN材料激子發(fā)光特性的實(shí)驗(yàn)研究與理論分析，相關(guān)成果發(fā)表在Science期刊上(Science, 2007, 317: 932-934)，并通過陰極發(fā)光(CL)測試首次證明了hBN材料具有深紫外發(fā)光特性。隨著研究的發(fā)展，科研人員通過光致發(fā)光(PL)技術(shù)確定了hBN材料具有復(fù)雜的缺陷發(fā)光特性，且堆疊層錯是缺陷發(fā)光的最主要誘因(ACS Photonics, 2014, 1(9): 857-862.)。基于hBN材料展現(xiàn)出的優(yōu)異紫外發(fā)光特性，近幾年應(yīng)用剝離單晶hBN與石墨烯材料結(jié)合，研制出了深紫外發(fā)光器件(Nature Communications, 2021, 12(1): 7134; Advanced Materials, 2022, 34(21): 2201387.)。然而，能制備出PN結(jié)型高效率半導(dǎo)體發(fā)光器件一直是本領(lǐng)域追求的目標(biāo)，hBN薄膜的n/p摻雜問題(尤其是n型摻雜)一直是重大的科學(xué)和技術(shù)難題。
圖1.(a)hBN薄膜和S摻雜hBN薄膜的光學(xué)照片；(b)hBN薄膜的SEM圖；(c)S摻雜hBN薄膜的SEM圖；(d)XRD圖；(e)Raman圖；(f)FTIR圖
近期，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子學(xué)院李強(qiáng)團(tuán)隊(duì)，應(yīng)用LPCVD系統(tǒng)在藍(lán)寶石襯底進(jìn)行大尺度hBN單晶薄膜的外延生長和摻雜研究。選用藍(lán)寶石襯底直接外延生長大面積連續(xù)的hBN薄膜，通過超高溫外延生長(~1400 °C)實(shí)現(xiàn)了hBN薄膜的高結(jié)晶度，隨后應(yīng)用S元素在hBN薄膜內(nèi)進(jìn)行了替位摻雜，成功突破了大面積hBN單晶薄膜的n型摻雜，S摻雜濃度達(dá)1.21%(圖1)。結(jié)合Mg摻雜的p型hBN薄膜，制備了基于hBN材料體系的同質(zhì)PN結(jié)，即hBN:S/hBN:Mg同質(zhì)結(jié)。對構(gòu)建的同質(zhì)PN結(jié)進(jìn)行PL測試，通過對結(jié)果的分析確定了同質(zhì)結(jié)形成后，光生載流子會在內(nèi)建電場作用下漂移至空間電荷區(qū)內(nèi)，進(jìn)而發(fā)生輻射復(fù)合發(fā)光，實(shí)現(xiàn)了深紫外光(261nm-300nm)的出射。hBN薄膜摻雜的突破，意味著六方氮化硼可以作為深紫外光電器件的主體材料，為后續(xù)半導(dǎo)體型更短波段深紫外發(fā)光器件的研制提供了一個新的研究方向。
圖2.六方氮化硼同質(zhì)結(jié)構(gòu)與性能表征；(a) hBN:Mg/hBN:S同質(zhì)結(jié)的結(jié)構(gòu); (b)能帶匹配結(jié)構(gòu)；(c) 同質(zhì)結(jié)的I-V曲線，插圖為實(shí)物照片；(d) hBN:S薄膜和hBN:Mg/hBN:S同質(zhì)結(jié)的光致發(fā)光光譜；(e)同質(zhì)結(jié)的PL發(fā)光過程原理示意圖。
該研究成果以Deep-UV Light-Emitting Based on the hBN:S/hBN:Mg Homojunction為題發(fā)表在國際權(quán)威期刊《先進(jìn)科學(xué)》(Advanced Science)上，西安交通大學(xué)為第一通訊單位。西安交通大學(xué)博士生陳冉升和青年教師李強(qiáng)為共同第一作者。西安交通大學(xué)李強(qiáng)副教授、中科院半導(dǎo)體所郭亞楠研究員、英國卡迪夫大學(xué)Tao Wang教授、西安電子科技大學(xué)郝躍院士為共同通訊作者。同時，感謝西安交通大學(xué)分析測試共享中心對本工作表征方面的支持。
李強(qiáng)課題組一直致力于六方氮化硼材料的外延生長與深紫外光電器件的研究，近期工作在Advanced Functional Materials, ACS Applied Materials & Interfaces, Applied Surface Science、Crystal Growth & Design等最具影響力期刊上發(fā)表了一系列文章。
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