JMST：氢终端金刚石表面二维空穴气形成机理取得重要进展

武汉大学刘胜院士团队在氢终端金刚石表面二维空穴气的固态转移掺杂机理取得重要进展。相关成果以“Origin of two-dimensional hole gas at the hydrogen-terminated diamond surfaces: Negative interface valence-induced upward band bending”为题发表在Journal of Materials Science & Technology上。博士研究生桂庆忠为论文第一作者，武汉大学郭宇铮教授、张召富教授和江卓研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和省级、市级科研经费的支持。

研究简述

金刚石作为一种超宽禁带半导体材料，在电、热、力、声、光和机械等方面都具有优异的性能，被称为“终极半导体”。因此，金刚石在高压、高频、高温和大功率电子器件领域有着广阔的应用前景。采用掺杂技术实现有效的半导体电导调控，是实现金刚石材料在半导体器件应用的关键。目前，利用杂质元素在金刚石中获得高性能p型和n型掺杂仍然是具有挑战性的难题。

氢终端金刚石表面具有p型电导现象，通过表面转移掺杂可以形成高浓度且具有极低活化能的二维空穴气。将二维空穴气作为器件导电沟道制成的氢终端金刚石场效应晶体管是目前金刚石半导体器件领域的研究热点。然而，目前氢终端金刚石器件仍存在机理不清晰、结构不成熟和性质不稳定等问题，导致器件实际性能与理论值差距较大，亟需进行深入的器件机理分析以提高金刚石基半导体器件的性能。

基于上述研究背景，本文研究了氢终端金刚石表面二维空穴气的形成机理。该研究比较了氢终端、氟终端、氧终端和氮终端金刚石表面的结构和电子性质，结果表明只有氢终端金刚石表面具有负电子亲和势特征；提出了表面吸附物对氢终端金刚石表面电子性质的影响规律，结果表明酸根和氧化气体吸附的氢终端金刚石表面产生了向上的能带弯曲，局域电子态密度与表面转移掺杂模型中的能带弯曲理论吻合，证明了氢终端金刚石表面形成了二维空穴气；大气吸附物诱导的氢终端金刚石表面导电沟道具有较差的热稳定性，因此基于固体介质/氢终端金刚石的转移掺杂体系更有应用前景。本文首次建立了精确的理论模型来证明固体材料在表面转移掺杂模型中充当表面电子受体的作用机制，建立了二维空穴气在氢终端金刚石表面的固态转移掺杂机理。本文原创性首次指出，固体材料作为表面电子受体材料的先决条件是需要建立“带负价态的界面（negative interface valence）”来吸附氢终端金刚石表面的电子，从而在氢终端金刚石表面上产生高密度的二维空穴气。这些理论首次从第一性原理角度完善了氢终端金刚石表面转移掺杂的机理，从原子层级指出来二维空穴气的微观形成机理，填补了过去二十多年来在这一领域的研究空白，相关理论研究见解将有助于推进高质量、高迁移率的氢终端金刚石二维空穴气器件的制备、设计和改进。