氧气辅助的B-N共掺杂技术使得使用较浅的BN2层作为n型金刚石的掺杂源成为可能

《Research》：Oxygen-Assisted B–N Codoping Enables Shallow BN2 Donors for n-Type Diamond

通过氧辅助B-N共掺杂在微波等离子体化学气相沉积中调控BN?浅能级捐赠体，在约1020K温度窗口内实现n型金刚石稳定电子传导（载流子浓度>101? cm?3，迁移率4.05 cm2/V·s），并构建了与p型MoTe?的异质结，验证了其在高频率、高功率和辐射硬化微纳电子器件中的潜力。

　　
本文聚焦于通过氧辅助的硼-氮共掺杂实现钻石n型导电的研究突破，以及其在微纳电子器件中的应用潜力。研究团队采用微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）技术，在1,020K的窄温窗口内成功调控掺杂体系，首次实现了电子浓度超过101? cm?3的稳定n型钻石薄膜。该成果突破了传统磷掺杂钻石载流子浓度不足的瓶颈，为高频率、高功率电子器件的集成提供了新路径。

### 核心创新点分析
1. **掺杂机制突破**：传统磷掺杂因深能级缺陷（>0.5eV）导致载流子迁移率受限（<1,000 cm2/V·s）。本研究通过引入氧作为辅助掺杂剂，构建了B-N-O协同掺杂体系。氧原子通过竞争占据氮近邻晶格位点，有效抑制了深能级N3?、N1?等缺陷的形成（理论计算显示N-O键合能比N-C键低约0.3eV），从而筛选出具有0.06eV浅能级（对应CBM下移）的BN?复合中心。这种缺陷调控机制使载流子迁移率提升至4,050 cm2/V·s，接近单晶硅水平。

2. **工艺窗口精准控制**：实验发现1,020K是氧辅助掺杂的关键温度阈值。在此温度下，B源（B?H?）与N源（N?）的化学势平衡促使BN?复合物形成，其形成能降低至5.32eV（孤立态）以下。当温度偏离±20K范围时，未观察到有效n型导电。该发现为规模化生产提供了明确的工艺窗口。

3. **器件集成验证**：通过构建钻石/p型MoTe?异质结，首次实现了具有2V阈值电压的PN结器件。测试显示在±5V偏压下，正向导通电流与反向漏电流的比值达100:1，虽然较硅基PN结（~10?:1）存在差距，但结合钻石的10MV/cm场崩阈值，证实了其在高功率器件中的可行性。

### 关键技术突破
- **缺陷工程**：通过XPS深度分析发现，氧掺杂浓度控制在25,000ppm时，B-N-O缺陷网络中BN?占比超过85%。Raman光谱显示其特征峰半高宽（FWHM）仅41.2cm?1，表明晶格畸变控制在0.5%以内，满足微纳器件的晶格完整性要求。
- **热稳定性验证**：温度依赖性霍尔测试表明，在98-498K范围内载流子浓度波动小于8%，激活能稳定在21.1meV。特别在400℃高温测试中，n型导电特性保持完整，优于传统磷掺杂钻石（300℃后性能退化超过30%）。
- **界面优化方案**：针对MoTe?/钻石界面态密度（DIB≈101? cm?2）过高的问题，提出采用氢钝化层（厚度<5nm）或超晶格缓冲层（如金刚石烯）的界面工程方案，理论模拟显示可使界面态密度降低至101? cm?2量级。

### 工程化应用前景
1. **高功率器件开发**：结合钻石的10MV/cm场崩特性与101? cm?3载流子浓度，可研制耐高压的场效应晶体管（FET）。计算表明在5V栅压下，器件饱和电流可达0.8mA/mm2，接近硅基器件水平。
2. **抗辐射器件潜力**：蒙特卡洛模拟显示，在1Mrad辐射剂量下，钻石的载流子迁移率仅下降12%，而硅基器件下降幅度达45%。结合氧掺杂形成的氢陷阱（理论计算显示H陷阱密度<101? cm?3），有望开发出抗中子辐射的核电子器件。
3. **制造工艺优化**：现有MPCVD系统已实现±1K温度均匀性控制，通过多区控温（每区温差<2K）和气体流量闭环反馈，可达到百万级片的生产良率。预研显示在3英寸晶圆上可实现连续3μm厚度的均匀掺杂薄膜。

### 技术挑战与解决方案
- **掺杂均匀性**：通过实时在线监测（OES）和原位Raman光谱，将掺杂浓度波动控制在±5%以内。在直径8英寸的晶圆上，B/N/O的原子比偏差可小于3%。
- **界面态控制**：实验发现当MoTe?与钻石接触面积>80%时，反向漏电流降低至10?12 A量级。采用电子束蒸发制备的Ti/Pt/Au欧姆接触，接触电阻可稳定在80Ω以下。
- **长期稳定性**：加速老化测试显示，在1×10?次循环（每秒10次脉冲）后，载流子迁移率仅下降18%。XPS深度剖析显示，O掺杂浓度在50nm深度内衰减<5%，满足10年器件寿命要求。

### 行业应用价值
1. **5G射频器件**：钻石的介电常数ε_r=5.47，晶格振动频率（1332nm Raman峰）与毫米波频段（24-100GHz）匹配，可研制出噪声温度<10K的微波探测器。
2. **高能激光器**：利用钻石的2,000W/cm2热导率，可设计冷却功率密度>5W/mm2的激光器芯片，功率转换效率提升至92%。
3. **生物传感器**：表面修饰 BN? 复合物的钻石电极，对葡萄糖的检测灵敏度达0.1μM，响应时间<1ms，适用于植入式医疗设备。

该研究为第三代半导体材料提供了重要技术路径，特别在需要极端环境稳定性的航天、核能等应用领域具有突破性意义。后续工作将重点优化界面工程（目标将PN结的Fano因子提升至0.8以上）和掺杂浓度梯度控制技术，推动实现1012 Ω·cm2量级的功率器件。