Команда Цзилиньского университета опубликовала последние результаты по легированию алмазов n-типом
2025-09-19
Алмаз — не только самый твёрдый материал в природе, но и идеальный кандидат для создания мощных, высокотемпературных и высокочастотных электронных устройств нового поколения благодаря широкой запрещённой зоне, высокой теплопроводности и высокой подвижности носителей заряда. Однако эффективное производство алмаза n-типа является узким местом, ограничивающим его применение.
В настоящее время алмаз p-типа легко получить путём легирования бором (B), тогда как алмаз n-типа получить сложнее. Фосфор (P) в настоящее время признан наиболее эффективным легирующим элементом n-типа, но его растворимость в алмазе низкая, что существенно ограничивает его применение.
Недавно исследовательская группа под руководством профессора Ли Хундуна из Государственной ключевой лаборатории материалов высокого давления и сверхтвёрдых материалов Цзилиньского университета опубликовала результаты своих последних исследований в международном журнале Diamond & Related Materials. Используя расчёты из первых принципов, группа обнаружила, что приложение растягивающей деформации к кристаллографической плоскости алмаза (113) может значительно повысить эффективность легирования фосфором (P). Это открытие создаёт новую теоретическую основу для создания высокопроизводительных алмазных полупроводниковых приборов n-типа.
Основные моменты исследования
На основе расчетов из первых принципов (DFT) группа систематически сравнивала энергию образования легирования P на различных кристаллографических плоскостях [(100), (110), (111), (113)], а также исследовала влияние поверхностного водорода/кислорода и приложенной деформации на эффективность легирования.
Оптимальная кристаллографическая плоскость: на кристаллографической плоскости (113) энергия образования легирования фосфором самая низкая, что означает, что эффективность легирования самая высокая.
Обработка поверхности имеет ограниченный эффект: терминация водородом или кислородом немного увеличивает энергию формирования, но в целом не изменяет доминирования плоскости (113).
Растягивающая деформация значительно повышает эффективность: когда к кристаллографической плоскости (113) прикладывается 10%-ная двуосная деформация, она может снизить энергию образования до 0,63 эВ, значительно увеличивая растворимость фосфора. Напротив, сжимающая деформация препятствует легированию.
Перспективы применения
Данное исследование демонстрирует, что выбор кристаллографической плоскости в сочетании с деформационной инженерией может эффективно решать проблемы легирования алмазов n-типа, закладывая основу для создания высокопроизводительных алмазных электронных устройств. В будущем этот подход, как ожидается, будет применяться для:
Ультрафиолетовые оптоэлектронные приборы (такие как светодиоды и детекторы глубокого ультрафиолета);
Мощные, высокотемпературные электронные устройства;
Новое поколение радиочастотных устройств.
Результаты исследований группы Цзилиньского университета не только углубляют наше понимание механизмов легирования алмаза, но и открывают новые направления для развития индустриализации алмазных полупроводниковых материалов. Ожидается, что благодаря интеграции методов деформационной инженерии и эпитаксиального роста коммерциализация алмазных устройств n-типа ускорится.
Рисунок 1. Боковые виды исходных, водородо- и кислородоконечных алмазных поверхностей, соответствующие ориентациям (a) (100), (b) (110), (c) (111) и (d) (113) соответственно. Желтые, розовые и красные сферы представляют атомы C, H и O соответственно. Длины связей на поверхности аннотированы.
Рисунок 2. Соотношение между энергией образования (Ef) и глубиной легирования на поверхностях алмаза, легированных фосфором (100), (110), (111) и (113): (a) чистая поверхность, (b) поверхность с водородным окончанием и (c) поверхность с кислородным окончанием
Рисунок 3. Парциальная плотность состояний (PDOS): (ac) нелегированная поверхность алмаза (113); (df) пример легирования фосфором с глубиной легирования приблизительно 5 Å.
Рисунок 4. (а) Энергия образования дефектов (Ed) на поверхностях исходного алмаза (100), (110), (111) и (113) после легирования фосфором под действием деформации; (б) относительное изменение энергии связи ΔL/L₀. Отрицательные значения указывают на деформацию сжатия, а положительные – на деформацию растяжения.
