近日，哈尔滨工业大学朱嘉琦教授团队在金刚石半导体器件领域又取得新进展。该团队在IIa级金刚石表面制备了酮基氧终端，通过X射线光电子能谱分析研究了氧终端在金刚石禁带能级中引入的受体表面态以及其对肖特基接触势垒的影响，验证了在不同金属接触下氧终端对表面势垒的钉扎效应。此外，该团队研究发现氢化和抛光处理可以改变钉扎位置，钉扎位置也可通过再次氧化处理而恢复。相关研究成果以“Surface potential pinning study for oxygen terminated IIa diamond”为题，发表在Carbon 期刊上。该研究结果将有助于金刚石肖特基器件的设计和理论分析。
另外，该团队发现紫外光可以调控氧终端钉扎肖特基势垒，并将该技术应用于日盲紫外探测器，发展出了光调控肖特基势垒探测器。实现了“无光时候的高肖特基势垒保障低暗电流，光照时候的光调控肖特基势垒降低提升光探测性能”效果。220nm波长紫外光探测响应度比常规传统金刚石肖特基探测器提升了128%，成果发表在Applied Physics Letters期刊，并被选为“Featured Article”报道。
作为自然界最硬的物质，金刚石被誉为工业牙齿，广泛用于精密加工、矿山开采、石油钻探等国民经济核心领域。同时，金刚石具有5.47 eV的超宽带隙、2200 W/m·K的超高热导率、3800 cm2V-1s-1超高载流子迁移率以及优异的抗辐射能力，使其被认为是有望替代硅的“终极半导体”。随着化学气相沉积人造金刚石技术的发展，金刚石在紫外/高能粒子探测、同位素电池、激光器、高频高功率器件等领域不断取得技术突破并展示出了巨大的应用潜力。
在浅能级n型掺杂技术瓶颈下，肖特基结是金刚石器件的主流结构。然而，我们知道，肖特基势垒并不是简单地等于金属和半导体之间的功函数之差，它更多地是由半导体表面终端钉扎和不可避免的表面缺陷决定。
氧终端是自然界中金刚石常见悬挂终端，在之前的研究中，朱嘉琦教授课题组发现了酮基氧终端表面态将IIa型金刚石表面费米能级定扎在价带顶以上2.2 eV的位置（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2020.07.079）。
为了进一步了解表面态终端对肖特基结性能的影响，该团队在氧终端IIa级金刚石上沉积了Au、Ag、Pt、W和Pd五种不同功函数的金属。通过X射线光电子能谱分析发现，在沉积Au、Ag、Pt、W和Pd后，金属-金刚石界面的费米能级分别位于价带顶上方2.38 eV、2.33 eV、2.22 eV、2.25 eV和2.29 eV。显然，氧终端对肖特基势垒进行了钉扎，使其与金属功函数无关。同时，论文展示了钉扎效应对金刚石器件性能的影响。在同一氧终端IIa级金刚石上制作了Au-Ag和Ag-Pt两对不对称材质叉指电极肖特基探测器，在氧终端钉扎效应影响下，两对电极都显示出了正负偏压下对称的光电流-电压特性，并未因为电极材质不对称而出现整流特性。此外，该团队研究发现氢化和抛光处理可以改变钉扎位置，钉扎位置也可通过再次氧化处理而恢复。论文在线发表在Carbon期刊（https://doi.org/10.1016/j.carbon.2023.01.021）。
同时，该团队也发现紫外光可以调控氧终端钉扎肖特基势垒，并将该技术应用于日盲紫外探测器，发展出了光调控肖特基势垒探测器。实现了“无光时候的高肖特基势垒保障低暗电流，光照时候的光调控肖特基势垒降低提升光探测性能”效果。220nm波长紫外光探测响应度比常规传统金刚石肖特基探测器提升了128%，成果发表在Applied Physics Letters期刊，并被选为“Featured Article”报道（https://doi.org/10.1063/5.0131898）。
通讯作者介绍
朱嘉琦，哈尔滨工业大学航天学院教授、博导，长江学者特聘教授，国家杰出青年基金，万人计划领军人才，GF科技创新团队带头人。主要从事晶体及薄膜等研究，担任中国材料研究学会极端材料与器件分会副主任、中国硅酸盐学会薄膜与涂层分会副理事长、中国仪表材料学会副理事长、中国机械工程学会表面工程分会副主任，中国表面工程、功能材料、低温与真空、人工晶体学报、材料科学与工艺等杂志编委，获得中国青年科技奖、省青年五四奖章等荣誉，获国家技术发明奖二等奖1项（2011，第2），黑龙江省技术发明一等奖（2014，2021，第1）和二等奖（2011，第1）。以负责人承担国家自然科学基金6项、重点研发计划项目2项、国防基础科研3项、预研计划7项、军品配套3项等科研项目。成果已应用于多种重点型号，并实现产业化。获授权发明专利82项(转让21项)，发表SCI论文181篇，出版学术专著2部，译著1部。
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