掺杂金刚石同质结电子和光学性质改性的第一性原理分析

《Diamond and Related Materials》：First-principles analysis of material modification of electronic and optical properties of doped diamond homojunctions

金刚石同质结的电子和光学性质通过2N/2P-Ga/Al/B掺杂进行系统调控，第一性原理计算表明掺杂可精确调控能带结构，将带隙从2.10 eV扩展至2.50 eV并实现间接到直接带隙的转变，同时显著提升载流子密度和介电响应，2N_Ga-D和2P_Ga-D体系峰值电导率达17 S/m。研究发现p?+p同质结掺杂2P_B复体会出现n型导电特性，而2N_B/2N_Ga/2P_Ga掺杂体系则呈现半金属特性，且掺杂体系在光学吸收峰位置和强度上均呈现规律性变化。

　　

李伟银|王蒙|王兴浩|肖学锋|魏同立

北方民族大学电气与信息工程学院，中国银川市，750021

摘要

金刚石是一种有前景的先进半导体同质结/异质结材料，但其电子和光学特性的可调性尚未得到充分研究。本文利用第一性原理计算系统地研究了本征金刚石和2N/2P-Ga/Al/B掺杂金刚石同质结的电子和光学特性。结果表明，复杂的掺杂过程能够精确调节电子结构，每个系统的带隙从2.10 eV调整到2.50 eV，材料从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体。所有掺杂系统都表现出增强的载流子密度，其中2N_Ga-D和2P_Ga-D系统显示出优异的介电响应，峰值电导率为17 S/m——显著高于其他配置。出乎意料的是，掺杂了2P_B复合物的p+p同质结表现出n型导电性，而2N_B/2N_Ga/2P_Ga掺杂的同质结则表现出半金属特性。此外，掺杂系统具有更高的光吸收峰，并伴有轻微的红移，这与介电函数虚部的变化一致。这些发现基于掺杂复合物对金刚石电子结构的调控作用，为推进基于金刚石的电子和光电子应用奠定了坚实的理论基础。

引言

金刚石卓越的硬度[1]、导热性[2]和光学透明度[3]使其成为研究焦点，尤其是其作为宽禁带半导体的独特电子特性[4]。然而，正因为其超宽的带隙，本征金刚石是一种绝缘材料[5]。对金刚石同质结（由掺杂或不同取向的金刚石层组成的结构）和异质结（金刚石与其他半导体材料的组合）的研究为开发高性能电子和光电子设备铺平了道路[6]。这些架构在多种应用中展现出巨大潜力，包括高频晶体管、辐射探测器、量子计算组件以及适用于恶劣环境的传感器[7]、[8]。通过复杂的掺杂和键合技术精确控制金刚石的电子和光学特性，为提高设备性能和可靠性提供了重要机会[9]、[10]、[11]。为了彻底阐明金刚石同质结的内在机制，探索其在技术进步中的潜在应用，并确定实现其应用价值所需的科学挑战，研究人员对这些系统进行了细致的研究。

为了推进半导体材料在高性能电子和光电子中的应用，对其同质结和异质结的研究一直是重要的科学课题。王等人[12]全面总结了构建二维均匀结的制备策略，包括化学掺杂、静电掺杂和光掺杂等方法。李等人[13]发现Ga?O?同质结二极管在室温下表现出出色的效率，整流比为103，10 V时的正向电流密度为1.3 mA。潘等人[14]、[15]、[16]、[17]发现BN共掺杂可以增强β-Ga?O?的电子和光学特性，并且MXY（X = S, Se, Te；Y = Mo, W）与Ga?O?（100）形成的异质结可以制造出具有从紫外到红外宽光谱响应的自供电光电子设备。王等人[18]报道了一种新型ZnO纳米管同质结光电二极管。所得到的A-ZnO/n-ZnO同质结紫外光电二极管实现了低至6毫秒的超快光响应。毛等人[19]通过第一性原理计算发现，提出的α-AsP/γ-AsP同质结在之字形方向上具有1.6 × 10? cm?1的高光吸收，并具有间接带隙。艾等人[20]通过第一性原理计算研究了氮化硼纳米管（BCNNT）中的p-n同质结的特性，发现光生载流子的相反迁移方向提高了它们的分离效率和寿命。朴等人[21]通过第一性原理密度泛函理论计算确认，带有铝覆盖层的a-ZBTO场效应晶体管的迁移率为153.4 cm2/Vs，超过了原始设备的20.8 cm2/Vs。唐等人[22]利用第一性原理计算研究了非金属元素（B、C和N）掺杂对1 T-SnS?单层和同质结结构的光伏特性的影响。肖等人[23]利用第一性原理方法研究了高压下P掺杂ZnO的几何结构、电子结构和光学特性。此外，还进行了大量关于ZnO:N薄膜和ZnO:Ga晶片、WSe?/MoS? pn异质结、ZnO/Si和TiO?/Si异质结太阳能电池、MoO?/CsPbBr?异质结、hBN:S/hBN:Mg同质结、β-Ga?O? p-n同质结以及WSe? p–n同质结的研究[24]、[25]、[26]、[27]、[28]、[29]、[30]、[31]、[32]。虽然之前的研究已经对各种半导体及其同质结和异质结进行了全面分析，但关于金刚石同质结的研究相对较少。特别是在理解金刚石同质结的电子和光学特性方面存在显著差距。这一不足凸显了进一步研究以阐明这些结构的基本特性和潜在应用的必要性。选择Ga、Al、B、N、P和2N/2P化合物作为掺杂剂的理由如下：B原子（半径=0.82 ?）是一种经过实验验证的p型掺杂剂，其尺寸与C原子（半径=0.77 ?）相匹配，溶解度为1021 cm?3且畸变可忽略不计[33]。Ga原子（半径=1.35 ?）和Al原子（半径=1.18 ?）属于III族sp3兼容元素，在理论和实验上都证明了其掺杂能力[34]。N原子（半径=0.75 ?，溶解度=102? cm?3）和P原子（半径=1.10 ?，溶解度=101? cm?3）是已建立的n型掺杂剂，与III族物种配对时能提供互补的载流子调制[35]。2N/2P复合物利用电荷补偿：两个V族施主（各提供一个电子）抵消一个III族受主（一个空穴），从而形成形成能降低的中性单元。

因此，为了提高金刚石半导体材料的应用潜力，通过第一性原理计算确定了金刚石均匀结器的结构配置及其电子和光学特性的研究。这对于指导后续实验探索和促进金刚石外延层在各个技术领域的实际应用具有重要的理论意义。

章节摘录

理论研究模型

金刚石的基本单元晶胞呈现面心立方（fcc）晶格结构[36]，与fcc Bravais晶格相同。每个碳原子沿着立方框架的对角线平移四分之一个单元晶胞，与四个相邻原子形成共价键，从而在立方晶格中形成四面体结构。先前的研究详细记录了原始金刚石的晶格参数[37]、[38]。

本征金刚石（2 × 2 × 2）超胞的电子结构

图3全面展示了本征金刚石（2 × 2 × 2）的电子结构，包括能带结构（图3（a））、总态密度（TDOS，图3（b）和部分态密度（PDOS，图3（c））。图3（a）中的能带结构显示了价带和导带在关键对称点（G、F、Q、Z）上的分布，强调了材料的间接带隙半导体行为。价带最大值位于Γ点。

结论

通过第一性原理计算系统地研究了本征金刚石同质结及其掺杂金刚石同质结（2N/2P-Ga/Al/B）的电子和光学特性。研究结果表明，通过2N/2P-Ga/Al/B元素复合物的掺杂可以精确调节金刚石同质结的电子结构，将带隙宽度从2.10 eV调整到2.50 eV，并将本征金刚石同质结从间接带隙半导体转变为直接带隙半导体。

CRediT作者贡献声明

李伟银：撰写 – 审稿与编辑、软件、资源、研究、资金获取。王蒙：撰写 – 审稿与编辑、初稿撰写、监督、软件、方法论、研究、数据管理。王兴浩：撰写 – 审稿与编辑。肖学锋：撰写 – 审稿与编辑。魏同立：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。

致谢

本研究得到了宁夏自然科学基金（资助编号：2025AAC030041）、国家自然科学基金（资助编号：11764001）、北方民族大学的高层次人才项目（资助编号：2025BG205）、宁夏新型固态电子材料与器件研发创新团队（资助编号：2020CXTDLX12）以及2025年国家大学生创新创业培训计划项目（资助编号：202511407003）的资助。