超宽带隙半导体B-C-N三元化合物的高压合成与性能研究

作     者：徐保银 

作者单位：吉林大学 

学位级别：硕士

导师姓名：丁战辉

授予年度：2023年

学科分类：07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 0702[理学-物理学] 

主      题：硼碳氮 超宽禁带半导体 高压合成 热稳定性 

摘      要：第三代宽带隙(Eg3.3eV)半导体如氮化镓(GaN)、氧化锌(Zn O)等,具有高热导率、高击穿电场、高电子饱和速率和极佳的抗辐射能力等特性,适合制作高温、高频和大功率电子器件,蓝绿光、紫外光的发光器件和光电探测器件,在高速计算机、精确制导、卫星通信等领域有重要应用。新一代超宽带隙半导体材料(Eg4.0eV)的击穿电场强度、热导率、电子迁移率、耐高压、耐高温、耐高频、抗辐射等性能均优于第三代宽带隙半导体材料。例如,金刚石(E～5.5 eV)热导率高达2200 WmK,透射波长范围是225nm～2.5μm。c-BN禁带宽度约6.4 eV,热导率约1300 WmK。金刚石和c-BN用作电路封装和散热基片材料,能提高散热效果,增加器件容量及提高器件寿命,在半导体激光器、大功率高频晶体管、大规模集成电路等方面有较好的应用前景,但其外延生长的缺陷控制和位错控制以及n型掺杂比较难以实现。考虑到金刚石和c-BN存在结构相似性和性质差异性,人们设想合成二者晶体结构相似的BCN三元化合物。立方相BCN三元化合物性能介于金刚石和c-BN之间而兼二者之长,从而可望获得一种新型的超宽禁带半导体材料。B-C-N体系半导体(E3.8 eV)的击穿电场强度、热导率和抗辐射等性能优于氮化硅(Si C,～3.0 eV)和氮化镓(Ga N,～3.4 eV)等宽禁带材料,并且B-C-N半导体材料的载流子浓度和带隙宽度可以通过调整B或N原子浓度进行较好的调控。本论文以石墨和氮化硼为原料,通过球磨和高压合成方法制备硼碳氮(B-C-N)三元化合物超宽禁带半导体材料,并通过改变原料配比和合成条件获得了不同禁带宽度的(BN)C 化合物,系统研究了B-C-N三元化合物的晶体结构和微观形貌,探究了载流子输运性能、能带宽度与碳原子(C)掺杂浓度的关系。具体研究内容如下:(1)以石墨和六方氮化硼为原料,结合机械球磨和高压合成方法制备出B-C-N三元化合物。结构分析表明,所合成的B-C-N化合物高度晶化的层状材料,由石墨烯层插层在C原子掺杂的h-BN层所形成。由于C原子在BN层中B和N原子位置的非平衡替代,导致层状B-C-N化合物具有n型导电特性。光学性质测试结果表明,改变C含量可以实现BCN半导体材料的光学带隙在3.4eV-6.0 eV范围内进行调控。(2)以石墨和六方氮化硼为原料,并添加Fe/Ni合金触媒,在高温高压下合成出立方相晶体结构的BCN三元化合物,并探究了其晶体结构,热稳定性和光学带隙。热重测试结果表明,立方BCN的耐氧化温度达到938℃,高于金刚石的氧化温度;原位高温XRD测试结果显示,立方BCN在1300 C下氧化产生BO。(3)以不同碳源比例的非晶硼碳氮(a-BCN)为前驱物,在高温高压下合成了单一立方相硼碳氮(c-BCN)化合物,光学带隙测试结果表明,该化合物具有超宽禁带宽度(6.0 eV-6.2 eV)。