nに向けて

Nature Communications volume 13、記事番号: 3109 (2022) この記事を引用

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3 オルトメトリック

メトリクスの詳細

n 型と p 型の導電性における非対称な輸送特性は、ワイドバンドギャップ半導体における長年の根本的な問題でした。 六方晶系窒化ホウ素 (h-BN) は p 型伝導を達成できますが、n 型伝導は依然として利用できません。 ここでは、犠牲不純物結合による軌道分裂誘起準位工学の概念と、2D h-BN 単層における効率的な n 型輸送の実現を実証します。 O 2pz 軌道は対称性とエネルギーの両方を持ち、Ge 4pz 軌道と一致しており、強い結合が期待できることがわかりました。 Ge ドナーに対して O を並べて導入すると、別の犠牲的な深い準位が形成されるため、ドナー準位を効果的に押し上げることができます。 私たちは、Ge-O2 三量体が非常に浅いドナー準位と非常に低いイオン化エネルギーをもたらすことを発見しました。 低圧化学気相成長法により、h-BN 単層にその場で Ge-O ドーピングを実現し、面内 (~100 nA) と面内 (~20 nA) の両方の n 型伝導を達成することに成功しました。 垂直に積層された n-hBN/p-GaN ヘテロ接合を作製し、明確な整流特性を示します。 犠牲不純物結合法は、h-BN の n 型制限を克服するための非常に実行可能な手段を提供し、将来の 2D 光電子デバイスへの道を開きます。

六方晶窒化ホウ素（h-BN）は、新規な超ワイドバンドギャップ半導体として二次元（2D）層状ハニカム構造を持ち、大きな注目を集めています1。 h-BN は、低誘電率、高い化学的安定性、熱伝導率、電気抵抗率、機械的強度などの並外れた物理的特性により、2D 電子デバイスにおいてゲート誘電体層または保護封止体として幅広い用途があります 2、3、4、 5. また、h-BNは機能性半導体そのものとして優れた光学特性を示します。 h-BN の超広いバンドギャップ (約 6.5 eV) は、深紫外 (DUV) オプトエレクトロニクスにおける重要な役割を約束します 6,7。 2D 閉じ込め機能により、h-BN の励起子結合エネルギーは 740 meV と非常に大きく、放射放出に対して大きな利点を示します 8、9、10、11。 2004 年には、加速電子励起による h-BN の 215 nm での室温発振がすでに報告されており 12、2009 年には、電界放出型電子励起源を備えた 225 nm 面発光デバイスが製造されました 13。 この研究は、新しい DUV 光電子デバイスの開発における h-BN の大きな可能性を強く実証しました。 しかし、高効率デバイスにとって最も重要な pn 接合は、主に n 型導電層が存在しないため、h-BN では依然として利用できません。

バイポーラ導電性半導体（p 型層と n 型層）は、pn 接合ダイオード、バイポーラ トランジスタ、検出器、発光ダイオード、レーザー ダイオードなどの電子および光電子デバイスを構築するための最も重要な構成要素を提供します14。 しかし、ZnO、AlGaN、Ga2O3、ダイヤモンド、h-BN などのワイドバンドギャップ半導体は、n 型および p 型キャリア濃度とその輸送特性において深刻な非対称問題を抱えています 15、16、17、18。 これは基本的に、比較的低い価電子帯最大値 (VBM) または高い伝導帯最小値 (CBM) によるものです。 その結果、不純物はバンドギャップの中央に位置する深い準位を形成する傾向があり、深いアクセプターまたはドナーとして動作します（図S1a〜c）19、20。 p 型 h-BN は、Mg ドーピング 11,21,22 またはホウ素空孔の生成 23 によって実現されています。 h-BN の VBM は AlN の VBM よりも 0.67 eV 相対的に高く、これによりアクセプタ準位が浅くなることがわかっています 24,25。 言い換えれば、超広いバンドギャップとともに、h-BN内のCBMの位置は同時に非常に高くなる可能性があります（図S2）。 C、Si、O などを含む通常のドナー不純物は、効率的なイオン化 (>0.6 eV) に対して非常に深い準位しか形成できないことが報告されています 26、27、28、29。 したがって、ｎ型ドーピングにおける困難は、従来の方法では克服することが非常に困難になる。 h-BN における有効な n 型導電性の最新かつ信頼性の高い実現はまだ達成されていません。