Em direção a n

Nature Communications volume 13, número do artigo: 3109 (2022) Citar este artigo

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A característica de transporte assimétrico na condutividade do tipo n e p tem sido uma dificuldade fundamental em semicondutores de banda larga. O nitreto de boro hexagonal (h-BN) pode atingir a condução do tipo p, no entanto, a condutividade do tipo n ainda permanece indisponível. Aqui, demonstramos um conceito de engenharia de nível induzido por divisão orbital através do acoplamento de impurezas sacrificiais e a realização de transporte eficiente do tipo n em monocamada 2D h-BN. Descobrimos que o orbital O 2pz tem simetria e energia correspondentes ao orbital Ge 4pz, o que promete um forte acoplamento. A introdução de O lado a lado ao doador Ge pode efetivamente elevar o nível do doador pela formação de outro nível profundo de sacrifício. Descobrimos que um trímero Ge-O2 traz um nível doador extremamente raso e uma energia de ionização muito baixa. Pelo método de deposição química de vapor de baixa pressão, obtemos a dopagem Ge-O in-situ na monocamada h-BN e alcançamos com sucesso a condução do tipo n através do plano (~ 100 nA) e no plano (~ 20 nA). Fabricamos uma heterojunção n-hBN / p-GaN empilhada verticalmente e mostramos características de retificação distintas. O método de acoplamento de impurezas sacrificiais fornece uma rota altamente viável para superar a limitação do tipo n do h-BN e abre caminho para futuros dispositivos optoeletrônicos 2D.

Como um novo semicondutor de bandgap ultralargo, o nitreto de boro hexagonal (h-BN) tem uma estrutura de favo de mel em camadas bidimensionais (2D) e atraiu enormes atenções . Devido às suas extraordinárias propriedades físicas, como baixa constante dielétrica, alta estabilidade química, condutividade térmica, resistividade elétrica e resistência mecânica, o h-BN tem amplas aplicações em dispositivos eletrônicos 2D como camada dielétrica de porta ou encapsulador de proteção . 5. Além disso, como um semicondutor funcional, o h-BN apresenta excelentes propriedades ópticas. O bandgap ultralargo (~ 6,5 eV) do h-BN promete seu importante papel na optoeletrônica ultravioleta profunda (DUV) . Devido ao recurso de confinamento 2D, a energia de ligação do exciton do h-BN é tão grande quanto 740 meV, o que apresenta uma grande vantagem para emissão radiativa . Em 2004, já foi relatado laser à temperatura ambiente a 215 nm para h-BN via excitação eletrônica acelerada e em 2009, um dispositivo de emissão plana de 225 nm equipado com uma fonte de excitação eletrônica de emissão de campo foi fabricado . Este trabalho demonstrou fortemente o grande potencial do h-BN no desenvolvimento de novos dispositivos optoeletrônicos DUV. No entanto, a junção pn mais importante para dispositivos altamente eficientes ainda não está disponível para o h-BN, principalmente devido à ausência da camada condutora do tipo n.

Semicondutores condutores bipolares (camadas tipo p e tipo n) fornecem os blocos de construção mais cruciais para a construção de dispositivos eletrônicos e optoeletrônicos, como diodos de junção pn, transistores bipolares, detectores, diodos emissores de luz e diodos laser . No entanto, semicondutores de banda larga, por exemplo, ZnO, AlGaN, Ga2O3, diamante e h-BN, sofrem um sério problema assimétrico nas concentrações de portadores do tipo n e p e em suas características de transporte . Isto se deve fundamentalmente ao máximo da banda de valência (VBM) relativamente baixo ou ao mínimo da banda de condução alta (CBM). Consequentemente, as impurezas tendem a formar níveis profundos localizados no meio do bandgap, comportando-se como aceitadores ou doadores profundos (Fig. S1a-c) . O h-BN tipo p foi alcançado por dopagem com Mg ou pela produção de vagas de boro. Verificou-se que o VBM do h-BN parece relativamente maior que o do AlN em 0,67 eV, o que leva ao nível de aceitador raso . Em outras palavras, juntamente com o bandgap ultralargo, a posição do CBM no h-BN poderia ser extremamente alta ao mesmo tempo (Fig. S2). Foi relatado que impurezas doadoras usuais, incluindo C, Si, O e etc., só podem formar níveis muito profundos contra a ionização eficiente (> 0,6 eV) . Consequentemente, a dificuldade no doping do tipo n torna-se extremamente difícil de superar pelo método convencional. A realização atualizada e confiável da condutividade efetiva do tipo n em h-BN ainda não foi alcançada.