异质外延立方氮化硼薄膜的制备、摻杂及异质结电输运性质的研究

Besides their potential use as protective coatings for cutting tools and optical instruments, cubic boron nitride (c-BN) films have also been considered as an ideal material for electronic applications since it is a wide-band gap semiconductor. Unfortunately, c-BN films have mostly been of poor structural quality due to the necessity to an illusion so far. In this project, we will bundle the know-how about two different wide-band gap materials into a joined effort in order to synthesize hybrid structure with new functional properties. By combining Molecular Dynamics and Monte-Carlo simulations with state-of-the-art deposition and characterization tools, the nucleation, epitaxial growth and doping conditions will be established in order to achieve phase-pure, impurity-free, high-quality c-BN films of electronic grade on top of diamond substrate. This should allow, in a second step, to design a high-temperature resistant pn-diode hybrid structure as a proof-of-concept by growing an n-type c-BN film on top of p-type diamond. The latter diode structure might serve as a starting point for npn or pnp tri-layer hybrids (transistor design) thereby opening a new pathway towards high temperature electronics, UV photonics and (bio-) sensor applications.

立方氮化硼(c-BN)是宽禁带半导体中最为典型的一种超硬多功能材料，在高温、高频、大功率电子器件以及现代汽车、航空航天等方面均有着巨大的应用潜力。外延生长是实现c-BN功能性和器件化的重要制备工艺步骤。目前合成的c-BN膜普遍存在结晶度差、内应力高、稳定度低等问题，严重制约其从传统的超硬材料向高韧性、高比强、耐磨损、抗腐蚀、耐高温和高可靠性的半导体功能材料方面转型。本项目拟采用超高真空磁控溅射方法外延生长高品级c-BN膜，利用多种现代分析测试手段，结合分子动力学和蒙特卡罗计算方法，系统地研究薄膜的成核生长机制、掺杂条件、电子输运等物理问题与半导体特性方面的应用，建立外延生长高品质、无杂质、掺杂可调、器件级别的薄膜的工艺，设计并制作n型c-BN/p型金刚石的异质结构，为c-BN薄膜在高温电子、光电子及生物传感器件等领域的应用提供重要的实验数据和理论依据。

立方氮化硼(cBN)是宽禁带半导体中最为典型的一种超硬多功能材料，在高温、高频、大功率电子器件以及现代汽车、航空航天等方面均有着巨大的应用潜力。本项目在cBN薄膜的高质量生长、性能调控、器件设计以及器件性能等方面做了大量的创新性工作。采用超高真空磁控溅射方法在不同的衬底上（金刚石、单晶硅、石英、蓝宝石）生长高品级cBN膜，从实验和理论两个方面探讨了cBN的外延工艺参数，系统地研究薄膜的成核生长机制、掺杂条件、电子输运等物理问题与半导体特性方面的应用，对半导体的光学和电学性能进行了调控，设计并制作了基于n型BN膜的异质结构器件，建立了器件性能与薄膜质量之间的关联，探索了cBN薄膜在电子器件领域里的潜在应用。本项目的实施，为cBN为基体的半导体光电子器件的研制和应用提供了新的实验数据和理论依据。. 共发表了SCI学术论文8篇，EI综述1篇，国内核心期刊1篇，获授权国家发明专利3项，组织申报国家发明专利7项，国际会议邀请报告3次，国内会议邀请报告5次。在本项目的执行期间，协助培养博士研究生3人（获博士学位并毕业），独立指导硕士研究生5人（获硕士学位并毕业）。.