吉林大学团队发表金刚石 n 型掺杂最新成果 - 新闻通知中关村天合宽禁带半导体技术创新联盟

磷(P)掺杂是金刚石中最可靠的n型掺杂剂，但P掺杂剂溶解度低限制了它的应用。为了解决这一缺点，采用第一性原理计算系统地研究了P掺杂在原始、氢化和氧化金刚石(100)、(110)、(111)和(113)表面的形成能。结果表明，金刚石(113)表面的形成能小于金刚石(100)、(110)和(111)表面，表明其P掺杂效率最高。此外，拉应变显著降低了P掺杂金刚石表面的形成能，从而提高了掺杂效率。这些结果为P掺杂n型金刚石的实现提供了新的方向，有助于金刚石基半导体器件的设计。

近日，吉林大学高压与超硬材料国家重点实验室李红东教授团队在国际期刊 Diamond & Related Materials 发表最新研究成果。团队利用第一性原理计算，揭示了在金刚石 (113) 晶面上施加拉伸应变，可以大幅提升磷（P）掺杂效率。这一发现为实现高性能 n 型金刚石半导体器件提供了新的理论依据。

文章背景

文章通过第一性原理计算，系统研究磷（P）掺杂在不同取向、不同表面功能化的金刚石表面的形成能，并结合应变效应分析，解决了 P 掺杂剂在金刚石中溶解度低、n 型金刚石难实现的问题。

金刚石作为优异的宽带隙半导体，在高频、高温、大功率器件领域潜力巨大，但 n 型金刚石的实现一直受限于 P 掺杂剂溶解度低的问题，而 p 型金刚石通过硼掺杂较易获得。此前研究虽在（100）、（110）、（111）等传统金刚石取向开展 P 掺杂探索，且已知（113）表面稳定且 P 掺杂电导率表现较好，但传统金刚石表面 P 掺杂性能的系统研究仍缺乏，制约了器件设计。

数据讨论

本研究的亮点集中在三方面：一是通过第一性原理计算（基于 DFT 的 VASP 程序，采用 PAW 势和 PBE 泛函），系统分析了原始、氢化、氧化三种表面状态下，（100）、（110）、（111）、（113）四种取向金刚石表面的 P 掺杂形成能，发现无论何种表面状态，P 掺杂形成能均满足（113）<（111）<（110）<（100）的关系，其中（113）表面因独特的原子台阶排列（含（111）和（100）方向原子排列，台阶原子带两个悬挂键），P 掺杂效率最高；二是明确了表面功能化的影响，氢化和氧化处理会使 P 掺杂形成能略高于原始表面，轻微降低掺杂效率，且形成能随掺杂深度增加而增大，近表面区域更利于释放掺杂应变；三是证实了拉应变的积极作用，当对四种取向原始金刚石表面施加 + 0.10 的双轴拉应变时，其 P 掺杂缺陷形成能分别降至 2.77 eV、2.01 eV、1.47 eV、0.63 eV，显著提升掺杂效率，而压应变（如 - 0.02）会使形成能增大，不利于掺杂，且应变作用下（113）表面始终保持最小形成能。

图文解析

图 1.原始、氢封端和氧封端金刚石表面在 (a) (100)、(b) (110)、(c) (111)、(d) (113) 取向的侧视图。黄色、粉色和红色球分别代表 C、H 和 O 原子。表面键长已标注。

图 2.金刚石(100)、(110)、(111) 和 (113) 表面上的形成能 ( E f ) 与 P 掺杂金刚石的掺杂深度的关系 (a) 原始表面、(b) 氢终止表面和 (c) 氧终止表面。

图 3.以未掺杂的金刚石 (113) 表面 (a–c) 和掺杂深度约为 5 Å 的 P 掺杂的金刚石 (113) 表面的部分态密度 (PDOS) 为例。

图4.（a）缺陷形成能（E d）和（b）应变下金刚石（100）、（110）、（111）和（113）原始表面与P掺杂时的相对键变∆L/L 0。负值代表压应变，正值代表拉应变。

总结

该研究通过第一性原理计算，首次系统揭示了金刚石不同取向、表面状态及应变对 P 掺杂形成能的影响规律，明确（113）表面是 P 掺杂的最优取向，拉应变是提升掺杂效率的有效手段。这些结论为解决 P 掺杂 n 型金刚石实现难的问题提供了新方向，对后续金刚石基半导体器件的结构设计与性能优化具有重要指导意义。

来源：未来产链

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