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如何使氮化硼导电?

浏览数量: 38     作者: 本站编辑     发布时间: 2023-05-10      来源: 本站

立方氮化硼是一种有前途的半导体材料,通过在原料中添加不同的杂质,采取在高压合成原料中掺杂或是通过合成后的真空扩散,都能有效地改变氮化硼的导电特性。


1.氮化硼的分类和性质

氮化硼是由氮原子和硼原子构成的晶体,除了常见的六方氮化硼(白石墨)外,还有立方氮化硼(CBN)、菱方氮化硼(RBN)、纤锌矿型氮化硼(WBN)等变体,科学家甚至还发现了与石墨烯性质类似的二维氮化硼晶体。常说的氮化硼一般指的是立方氮化硼或六方氮化硼。

Boron Nitride - FUNCMATER

1.1六方氮化硼

具有类似石墨的的层状晶体结构,其物理化学性质也与石墨类似,常态时是白色粉末状,呈松散、润滑、易吸潮、质轻等性状。另外,在导热性、耐高温性、化学稳定性方面也类似石墨。当然,它的性质与石墨也不尽相同。例如,氮化硼是一种优良的绝缘材料,而石墨有良好的导电性。


1.2立方氮化硼

立方氮化硼有优异的物理化学性能,硬度仅次于金刚石,另外还具有很高的强度,在许多领域中有应用前景。

此外,立方氮化硼是目前使用温度最高的半导体材料,具有高导热性和良好的半导体特性。但是现有的制备方法又都存在着难于克服的固有缺点,以至于不易使其得到广泛利用。


2.氮化硼不导电的原因

氮化硼是一种重要的超导材料,其优良的超导性能引领着新一轮超导材料的研发。但同时,氮化硼又是一种不导电的材料,因此我们如何解释这一矛盾现象?

目前,人们对氮化硼不导电的原因有多种解释。首先,氮化硼的原子组成极为简单,由硼原子、氮原子构成,因此氮化硼的取向性比其他材料要低,这就造成了氮化硼的电子受限,这类受限电子无法进行移动,从而导致氮化硼不导电。其次,氮化硼中的氮原子本身拥有较强吸电性,这使得外界电场对氮化硼的电子水平影响较大,以致于氮化硼在一定的电场强度下不起作用,即氮化硼的电性不会随外加电场的增大而发生明显的改变,使得其不导电。

Boron Nitride Structure

此外,氮化硼由于化学结构的原因,采用准一维结构,这一结构也会影响氮化硼的导电特性。在晶体中,离子会出现可以破坏带电粒子的团簇,这些离子在团簇中只允许一个带电粒子穿过,也就是说会大大限制电子的穿越,从而使固体不导电。氮化硼就是典型的受到离子簇阻碍电子穿越而不导电的例子。


尽管氦化硼是一种不导电的材料,但它的特殊的电学性质又让它具备超导特性。氮化硼在低温时,其电阻率会出现极大降低,从而产生超导特性。在高温条件,氮化硼仍处于不导电状态,这说明,低温对氟化硼电子的能级等有重要的影响,从而使其具备超导特性。

Boron Nitride BN

总之,氮化硼的不导电与其简单的原子结构,氮原子的吸电性以及准一维链结构和低温对它电子能级等重要原因有关。虽然氮化硼是一种不导电的材料,但它仍具有良好的超导性能,其重要作用无疑是对材料科学产生了巨大的启示。


3.如何使氮化硼导电?

立方氮化硼是一种人工合成材料。早在1961年Wentorf就指出,立方氮化硼是一种半导体材料,并且可以在合成原料中添加杂质Si,Be等得到N型或P型半导体。这些论述和实验为深入研究立方氮化硼的半导体特性和它的开发及应用奠定了基础。

导电氮化硼的生产通常是在高温高压下进行的。Wentorf在合成原料中加入重量为0.01%~1%的Be(以金属或盐类形式)在高压下合成出P型材料。晶体为兰色,类似在合成金刚石中加硼的情形。室温下晶体的电阻率为10³Ω·cm。在25~44℃温度间测量晶体的电阻,估算出其激活能为0.19~0.23eV,由于晶体较小及生长不均匀,未能测定Hall效应及吸收光谱。


与此同时,Wentorf又进行了在Li-N-hBN体系中掺杂Si、KCN、甲烷或硫等杂质的实验,得到了具有N型特性的立方氮化硼半导体。典型值为105~107Ω·cm,晶体颜色为黄色、棕色或棕红色。Wentorf还指出,通过改进实验手段,可以作成cBN p-n结。但限于实验条件,要合成大块且均匀的晶体极为困难。


到了80年代后期,由于薄膜技术,特别是金刚石-立方氮化硼镀膜技术的发展,科学家用固体-膜技术的结合对立方氮化硼(体材料)-金刚石(膜)异质结进行了研究,并显示了优异的半导体特性,制备出具有半导体特性的立方氮化硼材料。1986年,日本无机研究所的O.Mishima等人利用Wentorf生长大颗粒单晶金刚石用的温度梯度法合成出大块立方氮化硼单晶(3mm),从而为立方氮化硼半导体的研究提供了条件。他们在合成原料中加人质量分数为1%的Be,在压力5.5GPa和温度为1800℃的条件下,以Li· CaBN为触媒,在高压合成腔沉积20小时,生长出黑色掺杂Be的大块立方氮化硼单晶。该单晶具有P型半导体特性,室温下电阻率为102~10³Ω·cm。在此基础上采用相同条件在P型立方氮化硼半导体材料上沉积Si,从而形成p-n结。该p-n结在高温下(530℃)仍然保持较好的整流特性。但由于晶体生长时其纯度较低和完整性受到限制,从而对p-n结的特性有一定的影响。因此,他们认为,为了提高立方氮化硼半导体的应用特性,还必须考虑两个因素:一是能够实现欧姆接触,二是提高相关合成技术以生产出具有特殊用途的高温和宽禁带半导体器件。


1992年,Taniguchi等人在Li基触媒和hBN混合物中掺入Be粉首先合成出含Be的立方氮化硼粉末,然后在一定的温度和压力下对立方氮化硼粉末进行高温烧结得到立方氨化硼聚晶,该聚晶体表现了良好的半导体特性。


纯净的立方氮化硼晶体是不导电的,由上述研究可知,通过杂志掺杂可获得导电性。高压合成中掺杂——在合成原料中加入不同数量的Si, Be等杂质;真空、高温掺杂——将合成所得的片状立方氮化硼晶体放入坩埚中并用纯Si, Be粉覆盖,然后放进高温真空炉中,以不同的温度,时间组合扩散掺杂。不论是采取在高压合成原料中掺杂还是通过合成后的真空扩散,都能有效地改变晶体的导电特性。


立方氮化硼是一种有前途的半导体材料,通过在原料中添加不同的杂质,用高压合成的方法可以得到P型及N型半导体,也可以用高压合成所得的立方氮化硼单晶体通过高温真空扩散掺杂方法得到P, N型半导体材料。


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