外延立方氮化硼薄膜的掺杂及高温半导体特性研究

立方氮化硼（cBN）具有优异的物理和化学性能，是制造高温及大功率电子器件理想的宽带隙半导体材料。然而，由于传统工艺制备的cBN薄膜存在晶体质量不高、内应力大及粘附性差等问题，对其半导体特性及器件应用方面的研究仍处于探索阶段。本项目拟采用新型的氟辅助化学气相沉积技术，在金刚石衬底上异质外延高质量cBN薄膜；利用离子注入技术对cBN薄膜进行p型和n型可控掺杂，系统地研究注入元素种类、离子能量、离子剂量和退火工艺对cBN薄膜晶体结构及高温半导体特性的影响，阐明掺杂cBN薄膜晶体结构与半导体特性的内在联系；研制cBN同质结和金刚石/cBN异质结薄膜二极管原型器件，探讨温度对器件性能的作用机制，并确认器件的有效工作温度范围。本项目的实施将对cBN薄膜在高温电子器件中的实际应用具有重要的指导意义。

立方氮化硼（cBN）具有优异的物理和化学性能，是制造高温及大功率电子器件的理想宽带隙半导体材料。传统工艺制备的cBN薄膜存在晶体质量不高、内应力大及粘附性差等问题，如何制备高质量薄膜并进行可控掺杂是实现其半导体应用的基础及瓶颈，相关研究仍处于探索阶段。本项目采用新型制备技术进行cBN薄膜的生长，系统研究了生长条件对cBN薄膜质量的影响，解决了薄膜质量不高的关键问题，获得了高质量cBN薄膜，并采用离子注入工艺实现了其可控掺杂，揭示了其高温半导体特性，并进一步探索了cBN在高温电子器件中的应用，为研制cBN薄膜电子器件提供了技术支撑，也为新型薄膜高温电子材料与器件的设计和开发提供了理论及实验依据，促进了宽带隙半导体材料及器件的应用。研究中取得了多项创新性成果，发表在Advanced Materials、Advanced Functional Materials、Nano Today、Nano Energy、ACS Applied Materials & Interfaces、Applied Physics Letters、Nanoscale、RSC Advances、Journal of Materials Chemistry A、Diamond and Related Materials等国际期刊上发表论文26篇，申请国家发明专利2项。主要成果包括：1) 采用新型氟辅助化学气相沉积（CVD）技术，在金刚石衬底上生长了异质外延的高质量cBN薄膜，薄膜具有高纯度、高结晶度、低应力等特点；2) 利用离子注入技术实现了cBN薄膜的p型和n型有效掺杂，对注入元素种类、离子能量、离子剂量和退火工艺的影响做了系统深入研究，通过改变这些工艺参数，可使cBN薄膜的电导率在7个量级范围内可控变化。3) 研究了10K至800K温度范围的cBN薄膜电学及传输性质，阐明了温度对cBN薄膜半导体特性的影响，并探讨了掺杂cBN的能带结构及掺杂机理。4) 研制了cBN同质结和金刚石/cBN异质结薄膜二极管原型器件，测试了器件性能，探讨了失效机制。