57、金刚石中n型B - N共掺杂与N掺杂研究

金刚石中n型B - N共掺杂与N掺杂研究

单一掺杂面临的挑战

在金刚石的n型浅施主掺杂研究中，单一掺杂剂面临诸多问题。氮（N）虽是潜在的电子供体，但其深施主能级（位于导带边缘下方1.4 eV）限制了其在室温半导体器件中的应用。磷（P）掺杂的电离能仅为0.43 eV，但载流子迁移率低（ - 23 cm/V·s），也不适用于室温应用。硫（S）掺杂曾被认为有浅能级，但因硼的无意污染，其施主能级目前被认为接近1.4 eV，且硫的形成能（4.2 eV）远大于磷，更难掺入金刚石，溶解度低，影响掺杂效率。通过氧离子注入虽能获得浅n型金刚石（施主能级0.32 eV），但氧施主在600 °C以上退火后会失活。间隙锂（Li）和钠（Na）在金刚石中的施主能级分别为0.1 eV和0.3 eV，但它们在金刚石中的溶解度极低，还易与其他杂质或缺陷结合导致电活性丧失。

由于单一掺杂难以满足需求，研究人员开始采用共掺杂方法来研究金刚石的杂质掺杂。例如，通过B - S共掺杂已实现了n型金刚石，相关理论解释也已发表。然而，B - N共掺杂金刚石的性能远不理想，对于B - N共掺杂金刚石体系，仍需进一步探索更合理的解释。此前的研究主要集中在金刚石中B - N团簇的键长和电离能，缺乏对B - N共掺杂金刚石的态密度（DOS）、能带结构和载流子有效质量等关键参数的计算和研究，因此有必要探究具有浅施主能级的B - N共掺杂金刚石的导电机制。

计算方法

本研究采用之前发表工作中的计算方法，基于密度泛函理论（DFT）进行所有计算，以优化几何结构、计算能带结构和态密度。交换关联函数通过VASP软件采用广义梯度近似（GGA）下的Perdew - Burke - Ernzerhof（PBE）泛函实现，选用投影