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Nature Communications volume 13, Numéro d'article : 3109 (2022) Citer cet article

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Les caractéristiques de transport asymétriques dans les conductivités de type n et p constituent depuis longtemps une difficulté fondamentale dans les semi-conducteurs à large bande interdite. Le nitrure de bore hexagonal (h-BN) peut atteindre une conduction de type p, cependant, la conductivité de type n reste toujours indisponible. Ici, nous démontrons un concept d’ingénierie de niveau induit par division orbitale via le couplage d’impuretés sacrificielles et la réalisation d’un transport efficace de type n dans une monocouche de h-BN 2D. Nous constatons que l’orbitale O 2pz présente à la fois une symétrie et une adaptation énergétique à l’orbitale Ge 4pz, ce qui promet un couplage fort. L'introduction d'un donneur O à Ge côte à côte peut effectivement faire monter le niveau du donneur par la formation d'un autre niveau profond sacrificiel. Nous découvrons qu'un trimère Ge-O2 apporte un niveau de donneur extrêmement faible et une énergie d'ionisation très faible. Par la méthode de dépôt chimique en phase vapeur à basse pression, nous obtenons le dopage Ge-O in situ dans une monocouche de h-BN et obtenons avec succès une conduction de type n dans le plan (~ 100 nA) et dans le plan (~ 20 nA). Nous fabriquons une hétérojonction n-hBN/p-GaN empilée verticalement et montrons des caractéristiques de rectification distinctes. La méthode de couplage d'impuretés sacrificielles constitue une voie hautement viable pour surmonter la limitation de type n du h-BN et ouvre la voie aux futurs dispositifs optoélectroniques 2D.

En tant que nouveau semi-conducteur à bande interdite ultra large, le nitrure de bore hexagonal (h-BN) possède une structure en nid d'abeille en couches bidimensionnelles (2D) et a attiré énormément d'attention1. En raison de ses propriétés physiques extraordinaires telles qu'une faible constante diélectrique, une stabilité chimique élevée, une conductivité thermique, une résistivité électrique et une résistance mécanique, le h-BN a de nombreuses applications dans les dispositifs électroniques 2D en tant que couche diélectrique de grille ou encapsulateur protecteur2,3,4, 5. De plus, en tant que semi-conducteur fonctionnel, le h-BN présente d’excellentes propriétés optiques. La bande interdite ultra-large (~ 6,5 eV) du h-BN promet son rôle important dans l’optoélectronique dans l’ultraviolet profond (DUV)6,7. En raison de la fonction de confinement 2D, l'énergie de liaison des excitons du h-BN atteint 740 meV, ce qui présente un grand avantage pour l'émission radiative . En 2004, une émission laser à température ambiante à 215 nm a déjà été signalée pour le h-BN via une excitation électronique accélérée12 et en 2009, un dispositif à émission plane à 225 nm équipé d'une source d'excitation électronique à émission de champ a été fabriqué13. Ce travail a fortement démontré le grand potentiel du h-BN dans le développement de nouveaux dispositifs optoélectroniques DUV. Cependant, la jonction pn la plus importante pour les dispositifs à haut rendement n'est toujours pas disponible pour le h-BN, principalement en raison de l'absence de couche conductrice de type n.

Les semi-conducteurs conducteurs bipolaires (couches de type p et de type n) constituent les éléments de base les plus cruciaux pour la construction de dispositifs électroniques et optoélectroniques tels que les diodes à jonction pn, les transistors bipolaires, les détecteurs, les diodes électroluminescentes et les diodes laser14. Cependant, les semi-conducteurs à large bande interdite, par exemple ZnO, AlGaN, Ga2O3, diamant et h-BN, souffrent d'un sérieux problème d'asymétrie en termes de concentrations de porteurs de type n et p et de leurs caractéristiques de transport15,16,17,18. Cela est fondamentalement dû au maximum de bande de valence (VBM) ou au minimum de bande de conduction (CBM) relativement faible. Par conséquent, les impuretés ont tendance à former des niveaux profonds situés au milieu de la bande interdite, se comportant comme des accepteurs ou des donneurs profonds (Fig. S1a – c) 19,20. Le h-BN de type p a été obtenu soit par dopage au Mg , soit par production de lacunes en bore . Il a été constaté que le VBM du h-BN semble relativement supérieur à celui de l'AlN de 0, 67 eV, ce qui conduit au niveau d'accepteur peu profond . En d’autres termes, avec la bande interdite ultra-large, la position du CBM dans le h-BN pourrait être extrêmement élevée en même temps (Fig. S2). Il a été rapporté que les impuretés habituelles des donneurs, notamment C, Si, O, etc., ne peuvent former que des niveaux très profonds contre une ionisation efficace (> 0,6 eV) 26,27,28,29. Par conséquent, la difficulté du dopage de type n devient extrêmement difficile à surmonter par la méthode conventionnelle. La réalisation à jour et fiable d’une conductivité efficace de type n dans le h-BN n’a pas encore été réalisée.