金剛石不僅是自然界最硬的材料，更因其寬禁帶、高熱導率、高載流子遷移率等特性，被視為下一代高功率、高溫、高頻電子器件的理想候選材料。然而，如何高效實現 n 型金剛石一直是制約其應用的瓶頸。

目前，p 型金剛石可通過硼（B）摻雜較容易實現；而 n 型金剛石實現難度較大，磷（P）是目前公認的最有效 n 型摻雜元素，但其在金剛石中的溶解度較低，極大限制了應用。

近日，吉林大學高壓與超硬材料國家重點實驗室李紅東教授團隊在國際期刊 Diamond & Related Materials 發表最新研究成果。團隊利用第一性原理計算，揭示了在 金剛石 (113) 晶面上施加拉伸應變，可以大幅提升磷（P）摻雜效率。這一發現為實現高性能 n 型金剛石半導體器件提供了新的理論依據。

研究亮點

團隊基于 第一性原理計算（DFT），系統比較了 P 在不同晶面 [(100)、(110)、(111)、(113)] 的摻雜形成能，并進一步考察了 表面氫/氧終止及外加應變對摻雜性能的影響。

最佳晶面：在 (113) 晶面上，P 摻雜的形成能最低，意味著摻雜效率最高。

表面處理影響有限：氫或氧終止會略微增加形成能，但整體不改變 (113) 晶面的優勢。

拉伸應變顯著提升效率：當對 (113) 晶面施加 10% 的雙軸拉伸，應變可使形成能降低至 0.63 eV，大幅提高 P 的溶解度。相比之下，壓縮應變則會抑制摻雜。

應用前景

這項研究證明了通過 晶面選擇 + 應變工程，可以有效解決 n 型金剛石摻雜難題，為高性能金剛石電子器件奠定基礎。未來，這一方法有望應用于：

紫外光電器件（如深紫外 LED、探測器）；

高功率、高溫電子器件；

新一代射頻器件。

吉林大學團隊的成果不僅深化了對金剛石摻雜機理的理解，也為推動 金剛石半導體材料產業化 提供了新方向。隨著應變工程和外延工藝的結合，n 型金剛石器件的商業化有望加速到來。

圖文導讀

圖1. 原始、氫終止和氧終止金剛石表面的側視圖 分別對應(a) (100)、(b) (110)、(c) (111)、(d) (113)取向。黃色、粉色和紅色球體分別代表C、H和O原子。表面鍵長已標注。

圖2. 磷摻雜金剛石表面（100）、（110）、（111）和（113）上形成能（Ef）隨摻雜深度變化的關系曲線：（a）原始表面，（b）氫終止表面，（c）氧終止表面

圖3. 部分態密度（PDOS）：（a-c）未摻雜的鉆石（113）表面；（d-f）以摻雜深度約5 Å的磷摻雜為例。

圖4. (a) 鉆石(100)、(110)、(111)和(113)原始表面在應變條件下摻磷后的缺陷形成能(Ed)；(b) 相對鍵能變化ΔL/L?。負值表示壓縮應變，正值表示拉伸應變。