西安电子科技大学：金刚石n型掺杂研究进展与展望

金刚石作为超宽禁带半导体的典型代表，理论上拥有禁带宽度大、热导率极高、载流子迁移率高等诸多优异特性。自1796年Tennant证明金刚石是碳的一种同素异形体以来，人造金刚石的探索便从未间断。近年来，随着制造成本的不断下降，金刚石开始在半导体、光电子、量子技术乃至β-光伏电池中大放异彩。与硅等传统半导体材料相比，金刚石的禁带宽度高达5.47 eV，这使得它在高功率、高频和极端环境应用中具有天然优势，但也为其掺杂带来了巨大挑战。

在这一背景下，西安电子科技大学任泽阳教授团队系统梳理了金刚石n型掺杂的研究进展与未来方向，在《人工晶体学报》2026年第3期发表了题为《金刚石n型掺杂研究进展与展望》的综述论文（第一作者：游志鹏；通信作者：任泽阳）。该文全面回顾了金刚石采用单元素掺杂和多元素共掺杂方法实现n型半导体掺杂的国内外研究进展，分析了各种掺杂方案的优势与不足，并对金刚石n型掺杂的发展前景进行了展望，旨在为解决这一长期困扰金刚石半导体领域的难题提供参考。

论文题录

游志鹏, 任泽阳, 张金风, 郝跃, 张进成. 金刚石n型掺杂研究进展与展望[J]. 人工晶体学报, 2026, 55(3): 340-348.

YOU Zhipeng, REN Zeyang, ZHANG Jinfeng, HAO Yue, ZHANG Jincheng. Research Progress and Prospects of Diamond n-Type Doping[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2026, 55(3): 340-348.

//图文导读

表1　金刚石与其他半导体材料性质比较

01

掺杂方法与挑战

实现高效、高稳定的半导体掺杂是金刚石半导体电子器件应用的必然要求。目前，通过氢终端/硅终端等表面改性及硼掺杂等方法，研究人员已经实现了较为优异的金刚石p型掺杂，p型器件也不断取得新突破。然而，金刚石n型半导体掺杂却一直没有寻找到合适的掺杂剂或材料改性方法，仍然面临着掺杂效率低、激活能高、材料生长困难等核心问题。作者首先系统介绍了金刚石掺杂的几种常见方法（见图1）。热扩散是一种传统的掺杂技术，其原理为高温下杂质原子从高浓度区向低浓度区自然扩散，但金刚石的晶格常数仅为3.567 Å，碳原子密度高达1.77×1023 cm-3，致密且稳定的晶格结构使杂质原子难以进入，对设备要求极高。离子注入法通过高能电场将杂质离子加速并直接注入半导体衬底中，能够独立且精确地控制掺杂浓度和深度，但该方法成本较高，且对晶格损伤较大，甚至会造成金刚石表面石墨化，虽然后续退火可以部分修复晶格，但工艺较为复杂。相比之下，高温高压法和化学气相沉积（CVD）原位掺杂法成为研究重点。其中，微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）方法由于易于控制、外延所需温度和压强较低、能够实现原位掺杂及多元素共掺等优势，已经成为金刚石掺杂研究的主流。作者认为，金刚石n型掺杂面临两大难题：1）掺杂元素的电离能过高，导致室温下仅有极少量电子能被激发到导带，电导率极低；2）金刚石的强共价键使杂质原子难以替代晶格位置，掺杂效率低。提高掺杂浓度虽然可以增加载流子密度，但容易引入晶格畸变或缺陷，导致载流子迁移率下降。

图1　不同掺杂方法示意图

02

单元素掺杂研究进展

在单元素掺杂方面，研究人员主要对I族、V族和VI族元素展开了理论和实验研究。I族元素中，锂和钠因原子半径较小，被认为可能作为间隙原子实现n型掺杂。1991年Kajihara等基于第一性原理计算证明锂和钠在金刚石中能够形成浅施主能级且激活能较小，但它们的溶解度很低，无法通过扩散法实现有效掺杂。1995年Borst等采用MPCVD法得到锂掺杂和钠掺杂金刚石薄膜，虽然测得锂的激活能为0.16 eV，但两种掺杂薄膜的电阻率均超过109 Ω·cm。后续研究发现，间隙锂在金刚石中扩散速率高，难以稳定存在，且易与其他杂质形成复合物降低电学活性，因此碱金属掺杂不太可能得到性能较好的n型金刚石材料。V族元素中，氮在天然金刚石中存在广泛，溶解度较高，但其激活能高达1.7 eV，杂质能级较深，无法实现有效n型导电。不过研究发现氮掺杂会影响金刚石的生长速率和晶相变化，且产生的NV色心具有特殊电子自旋特性，可用于量子技术与传感器，拓宽了金刚石的应用领域。磷的激活能为0.6 eV，是目前相对成熟的金刚石n型掺杂方案。1990年Okano等首次报道磷掺杂金刚石的n型导电现象，2021年Pinault-Thaury等制备出掺磷的(113)面金刚石n型同质外延层，掺杂浓度达2×1018 cm-3，450 K下迁移率为355 cm2/(V·s)。2023年Liao等成功制备出金刚石磷掺杂n型电导场效应晶体管，这是迄今为止报道的第一个金刚石n型掺杂场效应晶体管。2025年Li等基于第一性原理计算发现，金刚石(113)面的磷掺杂形成能较低且掺杂效率高，通过拉伸应变可进一步增强这一优势。VI族元素中，氧掺杂的激活能为0.32 eV，但形成能较高且载流子浓度极低；硫掺杂虽然曾报道激活能为0.38 eV、迁移率达597 cm2/(V·s)，但后续研究指出该结果可能是由于硼污染所致，且硫在绝对不含硼的金刚石薄膜中的掺入系数小于10-6，含量极低。总体而言，目前只有磷掺杂金刚石得到了较好的掺杂结果，但制备的器件性能仍然不太理想，砷、锑、硒等掺杂方案均未取得较好效果。

03

元素共掺杂研究进展

在单元素掺杂效果不佳的情况下，研究人员开始尝试采用共掺杂法改善金刚石n型导电性能。共掺杂方法最早被应用于p型化合物半导体中以提高载流子迁移率。目前大多数研究使用硼与另一种元素进行共掺杂，主要包括硼磷共掺杂、硼硫共掺杂、硼氧共掺杂和硼氮共掺杂等。硼磷共掺杂方面，2004年胡晓君等采用离子注入法实现了硼磷共掺杂金刚石薄膜并表现出n型导电性，在掺入相同磷含量情况下，共掺杂样品的电阻率更低、载流子迁移率更高，但最高迁移率仅为13.7 cm2/(V·s)。2023年Fan等基于第一性原理计算发现，一种特殊构型的硼磷复合物掺杂可使激活能降低至109 meV，但尚未得到实验验证。硼硫共掺杂方面，2003年Eaton等证明硫与少量硼共掺杂可使金刚石成为n型半导体，Li等测得激活能为0.39 eV，研究表明硼的掺入可大幅提高硫在金刚石中的溶解度。2018年Tang等基于DFT计算得到激活能为0.55 eV，2025年Zhao等发现硼硫掺杂比例为1:2时金刚石具有最佳导电性。硼氧共掺杂方面，2019年Liu等制备出n型导电的硼氧共掺杂金刚石，载流子浓度比单掺杂高几个数量级，激活能为0.574 eV，但2023年Zhang等的第一性原理研究认为硼氧共掺杂可能无法制备出有效n型金刚石。硼氮共掺杂方面，2022年Zhou等计算得到激活能为0.23 eV，2025年Sun等发现N/B比例为2:1和3:1时激活能分别为0.26和0.22 eV，但截至目前仍缺乏有力的实验结果证明。此外，研究人员还对硼锂共掺杂、氢氮共掺杂、氮硫共掺杂、氮锂共掺杂、氮硅共掺杂、硼硒共掺杂、锂氮共掺杂、铍磷共掺杂等方案开展了理论探索，部分计算结果显示激活能可低至0.14~0.35 eV，但这些研究大多停留在理论层面，缺乏有效的实验验证。表2总结了现有不同共掺杂元素在金刚石中的激活能/电离能的研究结果。

表2　不同共掺杂元素在金刚石中的激活能/电离能

结语与展望

金刚石作为一种材料特性优异的超宽禁带半导体材料，发展前景广阔，并且随着金刚石制造成本下降，更为研究人员制备出性能优异的金刚石器件带来希望。p型金刚石半导体的研究已经比较成熟且有所应用。n型半导体掺杂一直进展缓慢，单元素掺杂获得的n型金刚石中只有磷掺杂取得较好成果，但制备出的器件仍不太理想，为此研究人员需要在n型掺杂金刚石方面加大研究力度。作为一种极具潜力的掺杂方法，金刚石n型共掺杂研究成为近年来研究的国际热点。基于第一性原理研究发现，共掺杂方法有望大幅降低金刚石n型掺杂的形成能和激活能，但是截至目前大多研究尚停留在理论研究层面，缺乏有效的实验验证。实验研究方面，一方面由于现有金刚石生长设备及掺杂方法的限制，不同种杂质无法在最优工艺条件下掺杂金刚石，无法实现多种元素的有效晶格并入，这不仅对现有掺杂工艺优化提出了挑战，也对现有设备能力提出了巨大的挑战；另一方面，也由于共掺杂理论方面研究不足，对共掺杂过程中杂质-缺陷相互作用的认识仍不完善，出现一些实验与理论相悖的结果，亟需对共掺杂开展更深入的理论与实验研究。相信随着对共掺杂机理和实验方法研究的深入，金刚石n型半导体掺杂的激活能有望进一步降低，从而解决限制金刚石半导体发展的n型掺杂难题，推动金刚石半导体器件走向应用。

信息来源：人工晶体学报

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