金剛石不僅是自然界最硬的材料，更因其寬禁帶、高熱導(dǎo)率、高載流子遷移率等特性，被視為下一代高功率、高溫、高頻電子器件的理想候選材料。然而，如何高效實(shí)現(xiàn) n 型金剛石一直是制約其應(yīng)用的瓶頸。

目前，p 型金剛石可通過硼（B）摻雜較容易實(shí)現(xiàn)；而 n 型金剛石實(shí)現(xiàn)難度較大，磷（P）是目前公認(rèn)的最有效 n 型摻雜元素，但其在金剛石中的溶解度較低，極大限制了應(yīng)用。

近日，吉林大學(xué)高壓與超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李紅東教授團(tuán)隊(duì)在國際期刊 Diamond & Related Materials 發(fā)表最新研究成果。團(tuán)隊(duì)利用第一性原理計(jì)算，揭示了在 金剛石 (113) 晶面上施加拉伸應(yīng)變，可以大幅提升磷（P）摻雜效率。這一發(fā)現(xiàn)為實(shí)現(xiàn)高性能 n 型金剛石半導(dǎo)體器件提供了新的理論依據(jù)。

研究亮點(diǎn)

團(tuán)隊(duì)基于 第一性原理計(jì)算（DFT），系統(tǒng)比較了 P 在不同晶面 [(100)、(110)、(111)、(113)] 的摻雜形成能，并進(jìn)一步考察了 表面氫/氧終止及外加應(yīng)變對摻雜性能的影響。

最佳晶面：在 (113) 晶面上，P 摻雜的形成能最低，意味著摻雜效率最高。

表面處理影響有限：氫或氧終止會略微增加形成能，但整體不改變 (113) 晶面的優(yōu)勢。

拉伸應(yīng)變顯著提升效率：當(dāng)對 (113) 晶面施加 10% 的雙軸拉伸，應(yīng)變可使形成能降低至 0.63 eV，大幅提高 P 的溶解度。相比之下，壓縮應(yīng)變則會抑制摻雜。

應(yīng)用前景

這項(xiàng)研究證明了通過 晶面選擇 + 應(yīng)變工程，可以有效解決 n 型金剛石摻雜難題，為高性能金剛石電子器件奠定基礎(chǔ)。未來，這一方法有望應(yīng)用于：

紫外光電器件（如深紫外 LED、探測器）；

高功率、高溫電子器件；

新一代射頻器件。

吉林大學(xué)團(tuán)隊(duì)的成果不僅深化了對金剛石摻雜機(jī)理的理解，也為推動 金剛石半導(dǎo)體材料產(chǎn)業(yè)化 提供了新方向。隨著應(yīng)變工程和外延工藝的結(jié)合，n 型金剛石器件的商業(yè)化有望加速到來。

圖文導(dǎo)讀

圖1. 原始、氫終止和氧終止金剛石表面的側(cè)視圖 分別對應(yīng)(a) (100)、(b) (110)、(c) (111)、(d) (113)取向。黃色、粉色和紅色球體分別代表C、H和O原子。表面鍵長已標(biāo)注。

圖2. 磷摻雜金剛石表面（100）、（110）、（111）和（113）上形成能（Ef）隨摻雜深度變化的關(guān)系曲線：（a）原始表面，（b）氫終止表面，（c）氧終止表面

圖3. 部分態(tài)密度（PDOS）：（a-c）未摻雜的鉆石（113）表面；（d-f）以摻雜深度約5 Å的磷摻雜為例。

圖4. (a) 鉆石(100)、(110)、(111)和(113)原始表面在應(yīng)變條件下?lián)搅缀蟮娜毕菪纬赡?Ed)；(b) 相對鍵能變化ΔL/L?。負(fù)值表示壓縮應(yīng)變，正值表示拉伸應(yīng)變。