金刚石n型掺杂研究进展与展望

doi:10.16553/j.cnki.issn1000-985x.2025.0200

摘要/Abstract

摘要： 金刚石是超宽禁带半导体的典型代表，理论上具有禁带宽度大、热导率极高、载流子迁移率高等优点，是高频、大功率、高温电子器件的理想材料。实现高效、高稳定的半导体掺杂是金刚石半导体电子器件应用的必然要求。目前，通过采用氢终端/硅终端等表面改性及硼掺杂等方法已经实现了较为优异的金刚石p型掺杂，并且p型器件也不断取得新的突破。但金刚石n型半导体掺杂却一直没有寻找到合适的掺杂剂或材料改性方法，仍然面临着掺杂效率低、激活能高、材料生长困难等问题。本文系统综述了金刚石采用单元素掺杂和多元素共掺杂方法实现n型半导体掺杂的国内外研究进展，并对各种掺杂方案的优势和缺点进行了分析，对金刚石n型掺杂的发展前景进行展望，希望能为解决金刚石n型半导体掺杂难题提供参考。

关键词: 金刚石; n型半导体; 单元素掺杂; 共掺杂; 激活能

Abstract: Diamond is a typical representative of ultra-wide bandgap semiconductors. Theoretically， it has the advantages of a large bandgap， extremely high thermal conductivity， and high carrier mobility， making it an ideal material for high-frequency， high-power， and high-temperature electronic devices. Achieving efficient and stable semiconductor doping is an inevitable requirement for the application of diamond semiconductor electronic devices. Currently， through surface modification methods such as hydrogen termination/silicon termination and boron doping， diamond has achieved relatively excellent p-type doping， and p-type devices have also continuously made new breakthroughs. However， suitable dopants or material modification methods for diamond n-type semiconductor doping have not yet been found， and it still faces problems such as low doping efficiency， high activation energy， and difficult material growth. This paper systematically reviews the research progress at home and abroad on achieving n-type semiconductor doping in diamond through single-element doping and multi-element co-doping methods， analyzes the advantages and disadvantages of various doping schemes， and looks forward to the development prospects of diamond n-type doping， hoping to provide a reference for solving the problem of diamond n-type semiconductor doping.

Key words: diamond; n-type semiconductor; single-element doping; co-doping; activation energy

中图分类号:

TN304

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图/表 4

图1 金刚石半导体电子器件的大功率优势比较［9］

Fig.1 A comparison of the high-power advantages of diamond semiconductor electronic devices［9］. Reproduced under the terms of the CC BY license

表1 金刚石与其他半导体材料性质比较

Table 1 Comparison of properties between diamond and other semiconductor materials

Physical property	Unit	Si	Si-4H	GaN	Ga₂O₃	Diamond	AlN
Bandgap	eV	1.1	3.23	3.42	4.8	5.47	6.2
Breakdown electric field	MV/cm	0.3	3	2	8	10	2.1
Electron mobility	cm²/（V·s）	1 500	1 000	2 000	300	4 500	426
Hole mobility	cm²/（V·s）	480	100	20	—	3 800	141
Thermal conductivity	W/（m·K）	150	500	150	27	2 200	321
Dielectric constant	ε	11.8	9.7	9	10	5.7	8.87

图2 不同掺杂方法示意图

Fig.2 Schematic diagrams of different doping methods

表2 不同共掺杂元素在金刚石中的激活能/电离能

Table 2 Activation energy/ionization energy of different co-doped elements in diamond

H-N₄

N-Si₄

Li-N₄

Activation energy/ionization energy

1.57~1.80

109×10^-3

0.39

0.55

0.574

0.22

0.26

0.31

0.27

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