武汉大学刘胜院士团队揭示BN₂缺陷形成路径，为n型金刚石半导体提供新方案

文章亮点

• 团队系统分析BN₂共掺杂金刚石的形成路径、热稳定性及电子结构；
• 理论计算表明BN₂具有0.132 eV浅施主电离能，具有实现n型掺杂的潜力；
• 揭示不同BNx（x=1–4）缺陷复合体的稳定性差异及应变效应。

研究背景

金刚石具有超宽禁带、高击穿电场、高载流子迁移率和优异热导率等特点，是高功率电子器件、高频电子器件以及极端环境电子器件的理想半导体材料。然而，与硼掺杂实现p型导电相比，稳定、高效的n型掺杂仍是制约金刚石电子器件发展的关键问题之一。

近年来，硼—氮（B–N）共掺杂因有望形成浅施主缺陷而受到广泛关注。其中，BN₂缺陷复合体被认为具有实现室温电子激活的潜力，但其形成过程、热稳定性以及适宜的形成条件仍缺乏系统研究。

研究内容

针对这一问题，武汉大学刘胜院士团队联合西安电子科技大学和华中科技大学研究团队采用密度泛函理论（DFT）计算，系统研究了BN₂共掺杂金刚石的形成路径、稳定性及电子结构，并比较了BN、BN₂、BN₃和BN₄等不同B–N缺陷复合体的形成能和分解反应能。同时，研究进一步分析了残余应变对BN₂局域键合、电子分布及稳定性的影响，以评估不同生长条件下BN₂形成的可能性。

图1 BN₂共掺杂金刚石的能带结构及态密度计算结果

计算结果表明，BN₂缺陷在导带底附近形成施主能级，其施主电离能约为0.132 eV，具有浅施主特征，理论上有利于室温电子激活。进一步的反应能分析显示，氮相关前驱体有助于降低B–N缺陷复合体的形成能，其中BN与替位氮反应生成BN₂是最有利的形成路径，在216原子模型中的反应能达到−1.04 eV。相比之下，BN₃和BN₄等富氮缺陷更容易发生分解，稳定性较低。

此外，研究还发现，微小的压缩或拉伸应变会改变BN₂周围B–N和B–C键长及局域电荷分布，从而影响缺陷稳定性。这表明，残余应变同样是影响BN₂形成和保持的重要因素。

研究成果

本研究从理论上系统阐明了BN₂共掺杂金刚石的形成机制，明确了不同B–N缺陷复合体的稳定性差异，并提出了BN₂更有利的形成路径。研究结果表明，合理调控氮相关前驱体、残余应变及生长温度，有望促进BN₂缺陷的形成，为CVD/MPCVD制备BN₂共掺杂金刚石提供了理论依据，也为发展n型金刚石材料及相关电子器件提供了新的研究思路。

相关成果以“Synthesis pathways of BN₂ co-doped diamond for n-type doping: a theoretical study”为题，发表在Functional Diamond期刊上。

引用格式：

Dongliang, Zhang, Hanyang Xu, Xiang Sun, Zhiyin Gan, and Sheng Liu. 2026. “Synthesis Pathways of BN2 Co-Doped Diamond for n-Type Doping: A Theoretical Study.” Functional Diamond 6 (1). doi:10.1080/26941112.2026.2702691.

信息来源： Functional Diamond

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