Verso il n

Nature Communications volume 13, numero articolo: 3109 (2022) Citare questo articolo

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La caratteristica di trasporto asimmetrico nella conduttività di tipo n e p è stata a lungo una difficoltà fondamentale nei semiconduttori ad ampio gap di banda. Il nitruro di boro esagonale (h-BN) può raggiungere la conduzione di tipo p, tuttavia, la conduttività di tipo n rimane ancora non disponibile. Qui, dimostriamo un concetto di ingegneria del livello indotto diviso in orbitali attraverso l'accoppiamento sacrificale delle impurità e la realizzazione di un efficiente trasporto di tipo n nel monostrato 2D h-BN. Troviamo che l'orbitale O 2pz ha sia simmetria che corrispondenza energetica con l'orbitale Ge 4pz, il che promette un forte accoppiamento. L'introduzione affiancata di donatori di O e Ge può effettivamente spingere verso l'alto il livello del donatore mediante la formazione di un altro livello sacrificale profondo. Scopriamo che un trimero Ge-O2 apporta un livello di donatore estremamente basso e un'energia di ionizzazione molto bassa. Con il metodo di deposizione di vapore chimico a bassa pressione, otteniamo il drogaggio Ge-O in situ nel monostrato h-BN e otteniamo con successo sia la conduzione di tipo n nel piano passante (~ 100 nA) che nel piano (~ 20 nA). Realizziamo un'eterogiunzione n-hBN/p-GaN impilata verticalmente e mostriamo caratteristiche di rettifica distinte. Il metodo di accoppiamento sacrificale delle impurità fornisce un percorso altamente praticabile per superare la limitazione di tipo n di h-BN e apre la strada ai futuri dispositivi optoelettronici 2D.

Essendo un nuovo semiconduttore con bandgap ultra ampio, il nitruro di boro esagonale (h-BN) ha una struttura a nido d'ape stratificata bidimensionale (2D) e ha attirato enormi attenzioni1. Grazie alle sue straordinarie proprietà fisiche come bassa costante dielettrica, elevata stabilità chimica, conduttività termica, resistività elettrica e resistenza meccanica, h-BN ha ampie applicazioni nei dispositivi elettronici 2D come strato dielettrico di gate o incapsulatore protettivo2,3,4, 5. Inoltre, essendo esso stesso un semiconduttore funzionale, h-BN mostra eccellenti proprietà ottiche. Il bandgap ultra ampio (~ 6,5 eV) di h-BN promette il suo ruolo importante nell'optoelettronica dell'ultravioletto profondo (DUV)6,7. A causa della caratteristica di confinamento 2D, l'energia di legame degli eccitoni di h-BN è pari a 740 meV, il che presenta un grande vantaggio per l'emissione radiativa8,9,10,11. Nel 2004, è già stato segnalato un laser a temperatura ambiente a 215 nm per h-BN tramite eccitazione elettronica accelerata12 e nel 2009 è stato fabbricato un dispositivo a emissione piana a 225 nm dotato di una sorgente di eccitazione elettronica a emissione di campo13. Questo lavoro ha dimostrato fortemente il grande potenziale di h-BN nello sviluppo di nuovi dispositivi optoelettronici DUV. Tuttavia, la giunzione pn più importante per dispositivi altamente efficienti non è ancora disponibile per h-BN principalmente a causa dell'assenza di uno strato conduttore di tipo n.

I semiconduttori a conduzione bipolare (strati di tipo p e di tipo n) forniscono gli elementi fondamentali per la costruzione di dispositivi elettronici e optoelettronici come diodi a giunzione pn, transistor bipolari, rilevatori, diodi emettitori di luce e diodi laser14. Tuttavia, i semiconduttori con ampio bandgap, ad esempio ZnO, AlGaN, Ga2O3, diamante e h-BN, soffrono di un serio problema di asimmetria nelle concentrazioni dei portatori di tipo n e p e nelle loro caratteristiche di trasporto15,16,17,18. Ciò è dovuto fondamentalmente al massimo della banda di valenza (VBM) relativamente basso o al minimo della banda di conduzione elevata (CBM). Di conseguenza, le impurità tendono a formare livelli profondi situati al centro del bandgap, comportandosi come accettori o donatori profondi (Fig. S1a–c)19,20. L'h-BN di tipo p è stato ottenuto mediante doping con Mg11,21,22 o producendo posti vacanti di boro23. È stato riscontrato che il VBM di h-BN appare relativamente più alto di quello di AlN di 0,67 eV, il che porta a un livello di accettore superficiale24,25. In altre parole, insieme al bandgap ultraampio, la posizione del CBM in h-BN potrebbe essere estremamente elevata allo stesso tempo (Fig. S2). È stato riportato che le normali impurità donatrici, tra cui C, Si, O ecc., possono formare solo livelli molto profondi contro una ionizzazione efficiente (>0,6 eV)26,27,28,29. Di conseguenza, la difficoltà nel drogaggio di tipo n diventa estremamente difficile da superare con il metodo convenzionale. La realizzazione aggiornata e affidabile di un'efficace conduttività di tipo n in h-BN deve ancora essere raggiunta.