西安交大科研人员制备出全球首款六方氮化硼同质结深紫外LED芯片

六方氮化硼（hBN）是重要的超宽禁带半导体材料，具有类石墨烯层状结构和独特的光电特性，在深紫外发光器件和探测器领域具有重要的应用。早在2007年，科研人员就开展了对hBN材料激子发光特性的实验研究与理论分析，相关成果发表在Science期刊上（Science, 2007, 317: 932-934），并通过阴极发光（CL）测试^证明了hBN材料具有深紫外发光特性。随着研究的发展，科研人员通过光致发光（PL）技术确定了hBN材料具有复杂的缺陷发光特性，且堆叠层错是缺陷发光的最主要诱因（ACS Photonics, 2014, 1(9): 857-862.）。基于hBN材料展现出的优异紫外发光特性，近几年应用剥离单晶hBN与石墨烯材料结合，研制出了深紫外发光器件（Nature Communications, 2021, 12(1): 7134; Advanced Materials, 2022, 34(21): 2201387.）。然而，能制备出PN结型高效率半导体发光器件一直是本领域追求的目标，hBN薄膜的n/p掺杂问题(尤其是n型掺杂)一直是重大的科学和技术难题。

图1.(a)hBN薄膜和S掺杂hBN薄膜的光学照片；(b)hBN薄膜的SEM图；(c)S掺杂hBN薄膜的SEM图；(d)XRD图；(e)Raman图；(f)FTIR图

近期，西安交通大学电信学部电子学院李强团队，应用LPCVD系统在蓝宝石衬底进行大尺度hBN单晶薄膜的外延生长和掺杂研究。选用蓝宝石衬底直接外延生长大面积连续的hBN薄膜，通过超高温外延生长（~1400 °C）实现了hBN薄膜的高结晶度，随后应用S元素在hBN薄膜内进行了替位掺杂，成功突破了大面积hBN单晶薄膜的n型掺杂，S掺杂浓度达1.21%（图1）。结合Mg掺杂的p型hBN薄膜，制备了基于hBN材料体系的同质PN结，即hBN:S/hBN:Mg同质结。对构建的同质PN结进行PL测试，通过对结果的分析确定了同质结形成后，光生载流子会在内建电场作用下漂移至空间电荷区内，进而发生辐射复合发光，实现了深紫外光（261nm-300nm）的出射。hBN薄膜掺杂的突破，意味着六方氮化硼可以作为深紫外光电器件的主体材料，为后续半导体型更短波段深紫外发光器件的研制提供了一个新的研究方向。

图2.六方氮化硼同质结构与性能表征；(a) hBN:Mg/hBN:S同质结的结构; (b)能带匹配结构；(c) 同质结的I-V曲线，插图为实物照片；(d) hBN:S薄膜和hBN:Mg/hBN:S同质结的光致发光光谱；(e)同质结的PL发光过程原理示意图。