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(cè)器領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。早在2007年，科研人員就開(kāi)展了對(duì)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(guò)陰極發(fā)光（CL）測(cè)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(guò)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(cuò)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(wèn)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(zhǎng)和摻雜研究。選用藍(lán)寶石襯底直接外延生長(zhǎng)大面積連續(xù)的hBN薄膜，通過(guò)超高溫外延生長(zhǎng)（~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(duì)構(gòu)建的同質(zhì)PN結(jié)進(jìn)行PL測(cè)試，通過(guò)對(duì)結(jié)果的分析確定了同質(zhì)結(jié)形成后，光生載流子會(huì)在內(nèi)建電場(chǎng)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(gè)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(guò)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(guó)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(guó)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(shí)，感謝西安交通大學(xué)分析測(cè)試共享中心對(duì)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(zhǎng)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。
（來(lái)源：西安交通大學(xué)）
