不同退火工艺对六方氮化硼热释光行为的调控机制及其在III族氮化物半导体中的应用研究

这篇综述系统研究了退火温度（200°C-1000°C）和时间（1-120分钟）对六方氮化硼（h-BN）热释光（TL）特性的影响，发现900°C/30分钟退火结合10分钟暗室存储可产生理想的TL发光曲线（160°C和255°C双峰），SEM/XRD证实该条件能形成稳定均一的微观结构。研究为宽禁带半导体（WBG/SC）的缺陷工程和辐射剂量计开发提供了重要参考。

　　

引言

作为III族氮化物半导体的代表，六方氮化硼（h-BN）凭借6.5 eV的宽禁带、高热导率和化学稳定性，在紫外探测器、高功率电子器件和化妆品添加剂等领域具有独特应用。退火处理不仅能改善结晶度，还能通过调控能带结构和载流子动力学显著改变其光学特性。然而，未经退火的h-BN在辐射剂量测试中呈现宽而不规则的TL发光曲线，这严重限制了其作为辐射剂量材料的应用潜力。

实验设计

研究采用15份25 mg的h-BN粉末样品，分两组实验：第一组固定退火时间30分钟，温度从200°C梯度升至1000°C；第二组固定900°C，时间从1分钟变化至120分钟。所有样品经⁹⁰Sr–⁹⁰Y β射线（72 Gy）辐照后，使用Harshaw QS 3500 TLD读数仪以1°C/s速率记录TL曲线。

关键发现

微观结构演变

XRD显示所有样品均保持（002）晶面取向，但900°C退火后衍射峰强度提升12倍，表明结晶度显著改善。SEM图像揭示：原始样品表面粗糙不均（图6a-b），而经900°C处理的样品呈现清晰的晶粒融合和缺陷减少（图6e），这与TL响应增强直接相关。

温度效应

在600-900°C区间，TL曲线出现160°C和255°C两个特征峰（图7c），分别对应硼空位-氢复合体和本征硼空位缺陷。值得注意的是，160°C峰随温度升高向深能级移动47°C（119°C→166°C），而255°C峰仅轻微偏移5°C。当温度达1000°C时，85°C处出现浅能级峰（图7d），其强度在10分钟暗存储后完全消失（图9）。

时间效应

900°C退火下，30分钟时TL双峰达到最佳分离度（图10）。延长至120分钟会导致89°C浅峰再现，但90分钟暗存储可使其衰减（图12）。第一峰强度从5分钟到120分钟增长3倍（1.6×10⁵→5×10⁵ a.u.），证实退火时间与陷阱密度呈正相关。

机制讨论

研究提出双峰形成模型：

1. 1.

   160°C峰源于退火诱导的氧取代缺陷，其能级位置受晶格应力调控；

2. 2.

   255°C峰与稳定的B_N反位缺陷相关，对温度变化不敏感；

3. 3.

   浅峰（85-89°C）可能是表面吸附氧在高温下的解离产物，通过90分钟暗存储可消除其干扰。

应用价值

优化后的900°C/30分钟退火工艺（图13）使h-BN的TL灵敏度提升36倍，为开发低成本、高稳定性的辐射探测器奠定基础。未来可通过拉曼光谱进一步解析缺陷类型与TL响应的构效关系。

遗留问题

浅能级峰的物理起源仍需探究，建议采用真空退火对比实验以排除大气污染的影响。此外，延长退火时间（>120分钟）对材料热稳定性的影响值得深入研究。