基于氮缺陷的h-BN能带调控

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六方氮化硼(Hexagonal Boron Nitride,h-BN)是一种宽禁带半导体,具有耐高温、耐高压、抗化学腐蚀等优点。基于h-BN的紫外探测器具有体积小、暗电流小、抗辐射等优点。然而,由于h-BN的带隙大于5.7 eV,其吸收带边在日盲区紫外波段(220–280 nm)之外,这会削弱h-BN基紫外探测器的性能。因此,我们需要对h-BN进行带隙调控,使其吸收带边进入日盲区紫外波段。本文首先通过第一性原理计算分析了N空位对h-BN带隙的影响,然后基于磁控溅射工艺研究了h-BN带隙调控方法并制备了高质量的h-BN薄膜。具体研究内容和研究结果如下:(1)h-BN能带的第一性原理计算。计算结果表明,N空位会在h-BN中引入施主能级,且当空位浓度从0.31%增大至18.75%时,h-BN带隙减小2.40 eV。同时,计算结果还表明,B空位会在h-BN中引入受主能级,且随着B空位浓度从0.52%增大至3.13%,带隙减小2.08 eV。O替位会造成带隙展宽,当O原子浓度由9.38%增加至21.88%时,O替位会使带隙增大1.08 eV。H替位对带隙影响很小。(2)基于磁控溅射工艺制备h-BN薄膜,并通过多种手段对制备的薄膜进行表征并根据反馈结果优化生长参数。实验表明,采用N2/H2混合气能够有效提高薄膜质量。制备的本征h-BN薄膜带隙为5.76 eV,且能够保存一年以上。(3)实现了一种h-BN薄膜的带隙调控方法。该方法通过控制工作气体中N2的含量,实现了h-BN薄膜带隙在4.97-5.76 eV(吸收波长249.5-215.3 nm)的0.89 eV范围内可调,使h-BN薄膜的吸收带边进入日盲区紫外波段。
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