黄丰教授在宽禁带半导体载流子调控研究领域的重要理论和策略

      宽禁带半导体（第三代半导体）因其较宽的禁带宽度，具有高的临界电场密度、强抗辐照等优异特性，可应用于紫外发光，耐高温高压，耐辐照等条件极端的领域。然而，多年来宽禁带半导体的载流子浓度的自由调控仍然无法完全实现，这也是阻碍其发展的一个非常大的瓶颈。在学术界，半导体物理学家和材料学家之间各自使用着不同的理论和术语来看待此问题，他们之间缺乏统一的普适性理论，导致了问题的难以突破。
      我院黄丰教授基于对宽禁带半导体ZnO单晶和其载流子浓度调控长达15年的研究，结合了半导体物理和材料学科的认识，提出一个制备高质量宽禁带化合物半导体的“立体”理论：精细化学组分完整表达式（chemical composition complete expression，CCCE）唯一确定了材料的导电类型（p型与n型）；当CCCE确立后，掺杂和占位的具体微观结构不影响材料的最终p\n型，但会影响材料的载流子浓度和迁移率。并且根据这一理论的指导，提出了多步热力学过程实现载流子浓度自由调控的制造策略：首先考虑阴离子晶格的完整性，以实现高载流子迁移率和载流子浓度的高热稳定性，然后通过调节微量阳离子进出晶格来调控材料精细化学组分完整表达式，最终制造出期望的半导体材料。
      该理论揭示了材料中的载流子浓度，材料精细化学组分完整表达式以及材料制造过程中的热动力学状态三者之间的内在联系。作为一个新颖的认识，它用重要的共同学术术语搭建起了一道桥，将能带论和局域态电子理论结合起来。它改变了半导体传统制造范式，为宽禁带半导体的制造开辟了一条新的道路。更进一步地说，这一理论和策略也可能对其他绝缘体材料的半导体改性具有启发意义，创造出更多的研究体系，具有革命性的意义。上述成果以《Can We Transform Any Insulators into Semiconductors? Theory, Strategy, and Example in ZnO》为题于2020年5月6日发表在Cell旗下材料学期刊《Matter》上，第一作者和通讯作者均为黄丰教授。此项目研究得到了国自然杰青、重点、重大研究计划集成(首席)和军科委基础加强(首席)等项目的支持。

论文链接：https://www.cell.com/matter/fulltext/S2590-2385(20)30115-6