Навстречу н

Nature Communications, том 13, номер статьи: 3109 (2022) Цитировать эту статью

5806 Доступов

11 цитат

3 Альтметрика

Подробности о метриках

Асимметричная транспортная характеристика проводимости n- и p-типа долгое время была фундаментальной трудностью в широкозонных полупроводниках. Гексагональный нитрид бора (h-BN) может достигать проводимости p-типа, однако проводимость n-типа все еще остается недоступной. Здесь мы демонстрируем концепцию разработки уровней, индуцированных орбитальным разделением, посредством жертвенного взаимодействия примесей и реализации эффективного транспорта n-типа в 2D монослое h-BN. Мы обнаружили, что орбиталь O 2pz имеет как симметрию, так и энергию, соответствующую орбитали Ge 4pz, что обещает сильную связь. Введение параллельного донора O и Ge может эффективно повысить уровень донора за счет образования еще одного жертвенного глубокого уровня. Мы обнаружили, что тример Ge-O2 обеспечивает чрезвычайно мелкий донорный уровень и очень низкую энергию ионизации. Методом химического осаждения из газовой фазы при низком давлении мы получаем легирование Ge-O in-situ в монослое h-BN и успешно достигаем как сквозной (~ 100 нА), так и внутриплоскостной (~ 20 нА) проводимости n-типа. Мы изготовили гетеропереход n-hBN/p-GaN с вертикальной укладкой и продемонстрировали отличные характеристики выпрямления. Метод взаимодействия с жертвенными примесями обеспечивает весьма эффективный путь преодоления ограничения h-BN n-типа и прокладывает путь для будущих двумерных оптоэлектронных устройств.

Как новый сверхширокозонный полупроводник, гексагональный нитрид бора (h-BN) имеет двумерную (2D) слоистую сотовую структуру и привлек огромное внимание1. Благодаря своим исключительным физическим свойствам, таким как низкая диэлектрическая проницаемость, высокая химическая стабильность, теплопроводность, удельное электрическое сопротивление и механическая прочность, h-BN находит широкое применение в двумерных электронных устройствах в качестве диэлектрического слоя затвора или защитного инкапсулятора2,3,4. 5. Кроме того, будучи функциональным полупроводником, h-BN демонстрирует превосходные оптические свойства. Сверхширокая запрещенная зона (~6,5 эВ) h-BN обещает его важную роль в оптоэлектронике глубокого ультрафиолета (DUV)6,7. Из-за особенности 2D-удержания энергия связи экситона h-BN достигает 740 мэВ, что дает большое преимущество для радиационной эмиссии8,9,10,11. В 2004 году уже сообщалось о лазерной генерации h-BN на длине волны 215 нм при комнатной температуре посредством ускоренного электронного возбуждения12, а в 2009 году было изготовлено плоскоэмиссионное устройство с длиной волны 225 нм, оснащенное автоэмиссионным источником электронного возбуждения13. Эта работа убедительно продемонстрировала большой потенциал h-BN в разработке новых оптоэлектронных устройств DUV. Однако наиболее важный pn-переход для высокоэффективных устройств по-прежнему недоступен для h-BN, главным образом из-за отсутствия проводящего слоя n-типа.

Полупроводники с биполярной проводимостью (слои p-типа и n-типа) представляют собой наиболее важные строительные блоки для создания электронных и оптоэлектронных устройств, таких как диоды с pn-переходом, биполярные транзисторы, детекторы, светоизлучающие диоды и лазерные диоды14. Однако полупроводники с широкой запрещенной зоной, например, ZnO, AlGaN, Ga2O3, алмаз и h-BN, страдают от серьезной асимметричной проблемы с концентрацией носителей n- и p-типа и их транспортными характеристиками15,16,17,18. В основном это связано с относительно низким максимумом валентной зоны (VBM) или высоким минимумом зоны проводимости (CBM). Следовательно, примеси имеют тенденцию образовывать глубокие уровни, расположенные в середине запрещенной зоны, ведя себя как глубокие акцепторы или доноры (рис. S1a–c)19,20. h-BN p-типа был достигнут либо легированием магнием11,21,22, либо созданием вакансий бора23. Было обнаружено, что VBM h-BN оказывается относительно выше, чем у AlN, на 0,67 эВ, что приводит к мелкому акцепторному уровню24,25. Другими словами, вместе со сверхширокой запрещенной зоной положение CBM в h-BN одновременно может быть чрезвычайно высоким (рис. S2). Сообщалось, что обычные донорные примеси, включая C, Si, O и т. д., могут образовывать только очень глубокие уровни при эффективной ионизации (>0,6 эВ)26,27,28,29. Следовательно, трудность легирования n-типа становится чрезвычайно трудно преодолеть обычными методами. Современная надежная реализация эффективной проводимости n-типа в h-BN еще не достигнута.

GeB-ON > GeB−2ON > GeB-3ON. Therefore, the Ge-O2 trimer and Ge-O3 tetramer are also energetically favorable in the thermodynamics aspect (see Fig. S21 and related discussion). Summarized from the above results, the incorporation of Ge and sacrificial O dopants in h-BN monolayer makes their existence in the coupled forms of Ge-O, Ge-O2 or Ge-O3, which is consistent with the previous theoretical simulation results./p>2.8%), the conduction mechanism could be partially contributed by hopping conductivity45,46./p>

1.44 V) drops steeply under an ac signal of 5 MHz. The phenomenon of increasing capacitance with the increasing frequency is unusual for a p-n junction. This may stem from the existence of a considerable inner series inductance59 within n-hBN layers, which is determined to be about 0.0035 H (See details in Supplementary Information, Fig. S27). In addition, the 1/C2-V curve is shown in Fig. 5f, which appears nonlinear at zero voltage. The nonlinear feature of 1/C2-V curve can be attributed to the inhomogeneous doping profile in the interfacial region of n-hBN/p-GaN. It’s worth noting that the total capacitance of this n-hBN/p-GaN junction is as small as ~pF due to the ultrathin 2D h-BN/3D GaN integration. This ultra-small capacitance is quite beneficial for enhancing the response speed of optoelectronic devices, e.g. photodetectors60,61. These decent p-n diode behaviors promise the potential fabrication of advanced optoelectronic devices by the heterogeneous integration of conventional 3D nitride epilayer and novel 2D h-BN conducting layer./p>

Блог