锂磷共掺杂金刚石的缺陷形成机制与n型导电性能调控研究

本研究针对金刚石n型掺杂难题，采用密度泛函理论(DFT)系统研究了Li、P单掺及共掺金刚石在不同电荷状态下的缺陷特性。通过HSE06杂化泛函计算发现，间隙Li呈现n型特性而替位Li为p型，P替位掺杂具有n型特征；LisPs共掺构型最稳定，但高缺陷形成能限制了n型导电效率。研究提出通过调控费米能级可优化缺陷形成能，为金刚石n型掺杂技术提供了新思路。

　　

金刚石因其5.48 eV的超宽带隙、超高导热性和优异的载流子迁移率，被誉为终极半导体材料。然而其n型掺杂始终是制约器件应用的阿喀琉斯之踵——传统磷掺杂虽能实现0.6 eV的浅施主能级，却受限于极低的固溶度；硫掺杂虽具0.52 eV的更低电离能，但掺杂浓度仍不足。更棘手的是，高能离子注入会破坏晶体结构，而化学气相沉积(CVD)法制备的氮掺杂金刚石因1.7 eV的深能级在室温下几乎绝缘。这些瓶颈使得金刚石基高频大功率器件和深紫外光电器件的开发举步维艰。

针对这一挑战，兰州理工大学的研究团队在《Materials Today Communications》发表了创新性研究。他们采用密度泛函理论(DFT)的CASTEP模块，构建2×2×2超胞模型(64个C原子)，通过PBE泛函进行几何优化，并利用HSE06杂化泛函精确计算电子结构。研究系统考察了间隙Li(Li_i)、替位Li(Li_s)、替位P(P_s)以及Li-P共掺等七种构型，计算了不同电荷状态的缺陷形成能、能带结构和热力学跃迁能级。

理论计算部分揭示关键方法学创新：采用HSE06杂化泛函将金刚石带隙计算值提升至5.185 eV，显著优于PBE泛函的4.130 eV，更接近实验值。这种高精度计算为后续掺杂研究奠定基础。

本征金刚石的能带分析确认了金刚石的间接带隙特性，HSE06计算得到的价带顶位于Γ点，导带底靠近X点，与已知实验数据高度吻合。

Li掺杂金刚石的研究发现：间隙Li(Li_i)在导带下方0.3 eV引入浅施主能级，展现典型n型特征；而替位Li(Li_s)在价带顶上方0.5 eV形成受主能级，呈现p型导电。这种"双面神"特性为掺杂调控提供了新维度。

P掺杂金刚石证实P_s构型产生0.6 eV的施主能级，与先前预测一致，但高形成能(4.5 eV)导致掺杂效率低下。

Li-P共掺体系的突破性发现是Li_sP_s构型最稳定，其形成能比单掺体系低1.2 eV。通过额外引入Li_i或P_s可实现n型导电，但电离能仍高达0.8 eV。研究首次揭示费米能级对缺陷电荷态的调控作用——当费米能级接近导带时，带正电的缺陷形成能可降低2.3 eV。

结论部分指出：通过Li-P协同掺杂可优化缺陷稳定性，但实现高效n型导电仍需克服高电离能瓶颈。该研究创新性提出费米能级工程策略，为金刚石电子器件的掺杂工艺开发提供了理论路线图。这项工作不仅深化了对宽禁带半导体掺杂物理的理解，也为第三代半导体材料的性能调控开辟了新途径。