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鑽石半導體元件

2011/02/08 | 未分類 |

Original publish date:Jul 04, 2003

編輯 Agape 報導

科學家們在實驗中﹐意外地製造出n-type電性的鑽石薄膜﹐可望為鑽石電子及光電元件的發展﹐提供突破性的發展。

在現今的光電元件研究中﹐科學家們為了實際應用﹐如藍光雷射﹑發光二極體﹑光纖通訊﹑紫外光波長等的需要﹐已經著手開發所謂的寬能隙(wide-bandgap) 半導體。目前最常見的材料有氮化鎵(GaN) ﹑氧化鋅(ZnO) ﹑碳化矽(SiC)﹑以及氮化鋁(AlN)等。而由於具備優越的導熱特性﹑化學物理性質穩定﹑抗輻射等﹐鑽石也在研究的過程中﹐受到科學家們越來越多的注意。

早在1950年代﹐人們就發現可以在高溫高壓的環境下﹐以人工的方式合成鑽石。但是直到1981年﹐科學家們發明了化學氣相沉積法(chemical vapor deposition, CVD) 之後﹐才達成多晶性或甚至單晶的鑽石磊晶成長﹐也將鑽石提昇到電子元件材料的研發之列。此外﹐所合成的鑽石薄膜具有p-type的電性﹐即其中的導電載子是帶正電的電洞。雖然Koizumi等人在1997年﹐首度利用攙入磷製成n-type的鑽石﹐但是電子在鑽石能隙中的激發能量太高(600 meV ﹔kT在室溫300K也僅有26 meV) ﹐限制了n-type鑽石在室溫下的導電性。法國的Zephirin Teukam與其研究小組﹐則在本期的Natuer Materials發表了他們發現較低激發能量(230 meV)的n-type鑽石的結果。

嚴格說起來﹐Teukam等人的發現﹐實在是個意外。他們原本的實驗目的﹐是希望利用氘來將攙有硼的p-type鑽石﹐轉化成絕緣態。但是經過八小時﹑520C ﹑在氘的電漿中加熱之後﹐他們發現原本p-type的鑽石﹐居然變成了n-type ﹗而在鑽石中氘的密度﹐則與硼的密度相當。此外﹐他們也發現﹐如果將轉化後的n-type鑽石﹐加以適當的熱處理﹐可以降低電子的導電度或者將其還原為p-type的鑽石。為了說明他們的發現﹐Teukam等人提出了以下的解釋。他們認為﹐在氘化的過程中﹐氘與硼結合形成錯合物﹐使得電子具有較低的激發能量。

Teukam等人的發現﹐可說是為鑽石電子元件的研究﹐帶來了突破性的發展。因為如此一來﹐n-type與p-type的鑽石製造﹐幾乎不成問題。至於在真正的鑽石元件問世之前﹐Teukam等人所提出的模型﹐與n-type電性的穩定與否﹑以及是否會受高溫的影響﹐都還有待進一步的研究。不過﹐Teukam等人這個意外的發現﹐給了我們一個啟發﹐就是即使在實驗的異常中﹐也有值得探討與學習之處。

原始論文﹕

Nature Materials: From gemstone to semiconductor, Vol. 2, 431 (2003)

Nature Materials: Shallow donors with high n-type electrical conductivity in homoepitaxial deuterated boron-doped diamond layers, Zephirin Teukam et al, Vol. 2, 482 (2003)

參考來源:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Aug 02, 2003] 二氧化碳變鑽石

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