半导体的双极性导电，即p型导电和n型导电，是构筑光电子器件的重要基本结构。但对于宽禁带半导体（如AlN、GaN、GaO3、h-BN等），天然就存在着严重的p、n型掺杂不对称和电导不对称的根本性难题，传统上认为，一旦其p型导电容易获得，则n型导电非常困难，反之亦然。对于受到广泛关注的新型超宽带隙（>6 eV）h-BN半导体，30多年来，学术界已实现h-BN有效的p型导电，但从理论到实验研究则一直认为其n型导电极难实现。
经过10多年的努力，厦门大学蔡端俊教授、康俊勇教授团队于2022年6月以"Towards n-type conductivity in hexagonal boron nitride"为题在Nature Communications期刊报道了一套杂质原子配位轨道耦合和能级牺牲的理论，证明超宽禁带半导体n型施主能级可受调制，并在实验上首次成功实现了二维h-BN的n型导电和垂直p-n结器件。该研究为解决长期以来宽禁带半导体中n、p型导电严重不对称的根本性难题，以及开发新型高效率二维深紫外光电子器件，提出了新的半导体理论和技术路线。该研究发现，超宽禁带h-BN的传统n型施主杂质能级（如O、Si、Ge）在禁带中位置都很深，是导致其难以电离激活导电的本质原因。针对此难题，提出了一种配位轨道耦合的杂质能级调控理论和模式，通过引入O杂质的2pz轨道与深施主Ge杂质的4pz轨道的构型匹配耦合，引发形成π和π*轨道能级的分裂（图1a-b）；进一步地，通过Ge-O中的O二度、三度配位轨道调控，促使耦合分裂时产生一个更深、能量更低的能级，从而牺牲性地将另一施主能级推高，使其成为靠近导带底的极浅能级（图1c-e），更容易被激活电离，最终可实现有效n型导电。实验上，采用低压化学气相外延（LPCVD）方法，引入GeO2作为配位掺杂剂，实现了Ge-O杂质在二维h-BN薄膜中的原位耦合掺杂（图1f-g）。
图1. 杂质轨道耦合调控n型施主能级的理论成果及耦合掺杂h-BN外延的反应路径设计。电学测试证实，通过Ge-O的耦合掺杂，成功在单层h-BN中获得了有效的导电性，其中面外与面内电流分别达到了~100 nA与~20 nA（图2b-c）。h-BN:Ge-O薄膜的功函数（~ 4.1 eV）显著低于本征h-BN（~ 7 eV），同时FET器件的I-V曲线呈现n型特性（图2d-h），证明其为n型半导体，且自由电子浓度达到了1.94×1016 cm-3。这是国际上经过30年的探索，首次在超宽禁带半导体h-BN中实现有效的n型导电。该研究同时还完成了n型h-BN与p型GaN的垂直型p-n结的制备和表征，获得了高整流比（167.7）和超低电容（pF量级），展现出开发未来新型高频、高响应光电子器件的巨大优势。轨道配位耦合掺杂的概念和技术的提出，可以为宽禁带、超宽禁带半导体中杂质或缺陷能级的调控提供新的有力手段，突破电导不对称的根本性难题。
图2. 实验上首次证实配位轨道耦合技术可有效实现二维BN的n型导电。该工作卢诗强博士为第一作者、博士生沈鹏为共同第一作者，蔡端俊教授为通讯作者。该研究获得了国家重点研发计划、国家自然科学基金、福建省科技计划等项目的资助。通讯作者
蔡端俊，厦门大学物理科学与技术学院 教授，福建省新世纪创新人才、双百计划领军人才获得者。
长期从事低维宽禁带半导体材料及新型光电子器件研发。承担科技部国家重点研发计划、“863”计划、国家自然科学基金、福建省抗疫攻关计划等研究项目十余项。在国际前沿SCI期刊Nature communications、ACS Nano、Advanced Science等及国际会议发表论文100余篇，受邀发表邀请报告20余次，拥有授权发明专利40余项。任国际化学论坛分会主席，国际紫外材料与器件会议组会委员、分会主席，全国宽禁带半导体学术会议组委会委员。部分成果完成产业化，开发的新冠病毒超快深紫外便携消杀仪，投入福建省公共交通物流领域抗疫第一线推广应用。荣获福建省新世纪创新人才、厦门市双百计划领军人才、福建省科技进步奖一等奖、厦门市科技进步奖三等奖。
主要作者
康俊勇，厦门大学特聘教授，国家政府特殊津贴获得者，教育部微纳光电子材料与器件工程研究中心主任，福建省半导体材料及应用重点实验室主任，福建省半导体光电材料及其高效转换器件协同创新中心主任。
长期从事化合物半导体晶体生长、特性表征及其光电子器件制备研究工作，主持建设了首台强磁场晶体生长系统、纳米级空间分辨率应变和电荷测试及原位纳米结构综合测试等设备。主持国家“973”、“863”、国家自然科学基金重大研究计划和重点项目等数十项科研项目。兼任中国真空学会理事、中国光学学会理事、中国物理学会半导体专业委员会委员、新型显示产业技术创新战略联盟常务理事、福建省光电协会副会长。在Nature Materials、Nature Communications、Advanced Materials、Light: science & applications、Nano Letters等国际高水平学术刊物发表论文500余篇，他引约6500次；授权国家发明专利数十项；部分成果完成了向重要企业的技术转让，并实现产品产业化，部分产品在国家航空航天领域得到广泛应用。荣获福建省科技进步一等奖、厦门市科技进步一等奖。
第一作者
长期从事化合物半导体晶体理论模拟、生长、特性表征及其光电子器件制备研究工作。已在SCI 国际前沿杂志Nature Communications、ACSnano、Journal of Physical Chemistry等发表论文30篇，在国内外前沿学术会议并做邀请报告及口头报告8次，拥有发明专利10项；获得全国光学工程博士生学术联赛全国总决赛第二名，厦门大学“互联网+”大学生创新创业大赛金奖。第一作者
从事二维半导体材料合成、计算、新型光电子器件研发工作。已在SCI 国际前沿杂志Nature Communications、Small、Advanced Science等及国内外前沿学术会议发表论文10篇，拥有发明专利5项；获得中国研究生电子设计竞赛华东赛区一等奖，“华为杯”创新大赛全国三等奖，福建省研究生电子设计竞赛一等奖。详情请点击论文链接：
https://blog.sciencenet.cn/blog-3406013-1362680.html
上一篇：
中国半导体十大研究进展候选推荐（2022-032）——转角双层二维材料精准原子制造下一篇：
半导体学报2022年第11期——中文导读
