【儀表網 研發快訊】六方氮化硼(hBN)是重要的超寬禁帶半導體材料，具有類石墨烯層狀結構和獨特的光電特性，在深紫外發光器件和探測器領域具有重要的應用。早在2007年，科研人員就開展了對hBN材料激子發光特性的實驗研究與理論分析，相關成果發表在Science期刊上(Science, 2007, 317: 932-934)，并通過陰極發光(CL)測試首次證明了hBN材料具有深紫外發光特性。隨著研究的發展，科研人員通過光致發光(PL)技術確定了hBN材料具有復雜的缺陷發光特性，且堆疊層錯是缺陷發光的最主要誘因(ACS Photonics, 2014, 1(9): 857-862.)。基于hBN材料展現出的優異紫外發光特性，近幾年應用剝離單晶hBN與石墨烯材料結合，研制出了深紫外發光器件(Nature Communications, 2021, 12(1): 7134; Advanced Materials, 2022, 34(21): 2201387.)。然而，能制備出PN結型高效率半導體發光器件一直是本領域追求的目標，hBN薄膜的n/p摻雜問題(尤其是n型摻雜)一直是重大的科學和技術難題。
 

　　圖1.(a)hBN薄膜和S摻雜hBN薄膜的光學照片；(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，西安交通大學電信學部電子學院李強團隊，應用LPCVD系統在藍寶石襯底進行大尺度hBN單晶薄膜的外延生長和摻雜研究。選用藍寶石襯底直接外延生長大面積連續的hBN薄膜，通過超高溫外延生長(~1400 °C)實現了hBN薄膜的高結晶度，隨后應用S元素在hBN薄膜內進行了替位摻雜，成功突破了大面積hBN單晶薄膜的n型摻雜，S摻雜濃度達1.21%(圖1)。結合Mg摻雜的p型hBN薄膜，制備了基于hBN材料體系的同質PN結，即hBN:S/hBN:Mg同質結。對構建的同質PN結進行PL測試，通過對結果的分析確定了同質結形成后，光生載流子會在內建電場作用下漂移至空間電荷區內，進而發生輻射復合發光，實現了深紫外光(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，為后續半導體型更短波段深紫外發光器件的研制提供了一個新的研究方向。
 

　　圖2.六方氮化硼同質結構與性能表征；(a) hBN:Mg/hBN:S同質結的結構; (b)能帶匹配結構；(c) 同質結的I-V曲線，插圖為實物照片；(d) hBN:S薄膜和hBN:Mg/hBN:S同質結的光致發光光譜；(e)同質結的PL發光過程原理示意圖。

 

　　該研究成果以Deep-UV Light-Emitting Based on the hBN:S/hBN:Mg Homojunction為題發表在國際權威期刊《先進科學》(Advanced Science)上，西安交通大學為第一通訊單位。西安交通大學博士生陳冉升和青年教師李強為共同第一作者。西安交通大學李強副教授、中科院半導體所郭亞楠研究員、英國卡迪夫大學Tao Wang教授、西安電子科技大學郝躍院士為共同通訊作者。同時，感謝西安交通大學分析測試共享中心對本工作表征方面的支持。
 

　　李強課題組一直致力于六方氮化硼材料的外延生長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表了一系列文章。