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Nature Communications 13권, 기사 번호: 3109(2022) 이 기사 인용

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n형 및 p형 전도성의 비대칭 전송 특성은 오랫동안 와이드 밴드갭 반도체의 근본적인 어려움이었습니다. 육방정계 질화붕소(h-BN)는 p형 전도를 달성할 수 있지만 n형 전도성은 여전히 사용할 수 없습니다. 여기에서는 희생 불순물 결합을 통한 궤도 분할 유도 레벨 엔지니어링의 개념과 2D h-BN 단층에서 효율적인 n형 수송 실현을 보여줍니다. 우리는 O 2pz 궤도가 Ge 4pz 궤도와 대칭성과 에너지 일치를 모두 가지며 이는 강력한 결합을 약속한다는 것을 발견했습니다. Ge 기증자에 O를 나란히 도입하면 또 다른 희생 깊은 수준이 형성되어 기증자 수준을 효과적으로 높일 수 있습니다. 우리는 Ge-O2 삼량체가 극도로 얕은 공여체 수준과 매우 낮은 이온화 에너지를 제공한다는 것을 발견했습니다. 저압 화학 기상 증착 방법을 통해 h-BN 단층에서 현장 Ge-O 도핑을 얻고 평면 통과(~100nA) 및 평면 내(~20nA) n형 전도를 성공적으로 달성했습니다. 우리는 수직으로 적층된 n-hBN/p-GaN 이종접합을 제작하고 뚜렷한 정류 특성을 보여줍니다. 희생 불순물 결합 방법은 h-BN의 n형 제한을 극복할 수 있는 매우 실행 가능한 경로를 제공하고 미래의 2D 광전자 장치를 위한 길을 열어줍니다.

새로운 초광대역 밴드갭 반도체인 육방정계 질화붕소(h-BN)는 2차원(2D) 층상 벌집 구조를 갖고 있어 큰 주목을 받았습니다1. 낮은 유전 상수, 높은 화학적 안정성, 열 전도성, 전기 저항률 및 기계적 강도와 같은 탁월한 물리적 특성으로 인해 h-BN은 2D 전자 장치에서 게이트 유전층 또는 보호 캡슐화 장치로 광범위하게 응용됩니다2,3,4, 5. 또한, h-BN은 기능성 반도체 그 자체로서 우수한 광학적 특성을 나타냅니다. h-BN의 초광대역 밴드갭(~6.5eV)은 심자외선(DUV) 광전자공학에서 중요한 역할을 약속합니다6,7. 2D 감금 기능으로 인해 h-BN의 여기자 결합 에너지는 740meV만큼 크며 이는 복사 방출에 큰 이점을 나타냅니다8,9,10,11. 2004년에 가속 전자 여기를 통해 h-BN에 대해 215 nm의 실온 레이징이 이미 보고되었으며 2009년에는 전계 방출 전자 여기 소스가 장착된 225 nm 평면 방출 장치가 제작되었습니다. 이 연구는 새로운 DUV 광전자 장치 개발에서 h-BN의 큰 잠재력을 강력하게 보여주었습니다. 그러나 고효율 장치를 위한 가장 중요한 pn 접합은 주로 n형 전도층이 없기 때문에 h-BN에는 여전히 사용할 수 없습니다.

양극 전도성 반도체(p형 및 n형 층)는 pn 접합 다이오드, 양극 트랜지스터, 검출기, 발광 다이오드 및 레이저 다이오드와 같은 전자 및 광전자 장치를 구성하는 데 가장 중요한 빌딩 블록을 제공합니다. 그러나 ZnO, AlGaN, Ga2O3, 다이아몬드 및 h-BN과 같은 넓은 밴드갭 반도체는 n형 및 p형 캐리어 농도와 수송 특성에서 심각한 비대칭 문제를 겪고 있습니다. 이는 근본적으로 상대적으로 낮은 가전자대 최대값(VBM) 또는 높은 전도대 최소값(CBM) 때문입니다. 결과적으로 불순물은 밴드갭의 중간에 깊은 수준을 형성하여 깊은 수용체 또는 기증자처럼 행동하는 경향이 있습니다(그림 S1a-c)19,20. p형 h-BN은 Mg 도핑 또는 붕소 공극 생성을 통해 달성되었습니다. h-BN의 VBM은 AlN의 VBM보다 0.67 eV만큼 상대적으로 높게 나타나는 것으로 밝혀졌으며 이는 얕은 수용체 수준으로 이어집니다. 즉, 초광대역 밴드갭과 함께 h-BN에서 CBM의 위치가 동시에 매우 높을 수 있습니다(그림 S2). C, Si, O 등을 포함한 일반적인 공여체 불순물은 효율적인 이온화(>0.6eV)에 대해 매우 깊은 수준만 형성할 수 있는 것으로 보고되었습니다. 결과적으로, n형 도핑의 어려움은 기존 방법으로는 극복하기가 극도로 어려워집니다. h-BN에서 효과적인 n형 전도성에 대한 최신의 신뢰성 있는 구현은 아직 이루어지지 않았습니다.

GeB-ON > GeB−2ON > GeB-3ON. Therefore, the Ge-O2 trimer and Ge-O3 tetramer are also energetically favorable in the thermodynamics aspect (see Fig. S21 and related discussion). Summarized from the above results, the incorporation of Ge and sacrificial O dopants in h-BN monolayer makes their existence in the coupled forms of Ge-O, Ge-O2 or Ge-O3, which is consistent with the previous theoretical simulation results./p>2.8%), the conduction mechanism could be partially contributed by hopping conductivity45,46./p>

1.44 V) drops steeply under an ac signal of 5 MHz. The phenomenon of increasing capacitance with the increasing frequency is unusual for a p-n junction. This may stem from the existence of a considerable inner series inductance59 within n-hBN layers, which is determined to be about 0.0035 H (See details in Supplementary Information, Fig. S27). In addition, the 1/C2-V curve is shown in Fig. 5f, which appears nonlinear at zero voltage. The nonlinear feature of 1/C2-V curve can be attributed to the inhomogeneous doping profile in the interfacial region of n-hBN/p-GaN. It’s worth noting that the total capacitance of this n-hBN/p-GaN junction is as small as ~pF due to the ultrathin 2D h-BN/3D GaN integration. This ultra-small capacitance is quite beneficial for enhancing the response speed of optoelectronic devices, e.g. photodetectors60,61. These decent p-n diode behaviors promise the potential fabrication of advanced optoelectronic devices by the heterogeneous integration of conventional 3D nitride epilayer and novel 2D h-BN conducting layer./p>

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