金剛石憑借超寬禁帶、高擊穿電場、高載流子遷移率以及優異的熱導率，被認為是下一代高功率電子器件、高頻器件以及極端環境電子器件的重要候選半導體材料。然而，與已經較為成熟的硼（B）摻雜p型金剛石相比，如何實現穩定、高效的n型金剛石摻雜仍是限制其電子器件應用發展的核心瓶頸之一。
近年來，硼—氮（B–N）共摻雜策略因有望引入淺施主能級，實現電子型導電而受到廣泛關注。其中，BN?缺陷復合體被認為是一種具有潛力的n型摻雜結構，其可能在金剛石禁帶中形成淺施主態，從而實現室溫條件下的電子激活。然而，BN?缺陷如何形成、其熱穩定性如何，以及不同生長條件對其形成的影響機制，目前仍缺乏系統性的理論研究。
針對上述問題，武漢大學劉勝院士團隊聯合西安電子科技大學、華中科技大學研究團隊，采用密度泛函理論（DFT）計算方法，對BN?共摻雜金剛石的形成路徑、結構穩定性以及電子性質進行了系統研究。研究團隊進一步對比分析了BN、BN?、BN?和BN?等不同B–N缺陷復合體的形成能、分解反應能以及局域結構變化，并探討了殘余應變對BN?穩定性和電子結構的影響。
圖1 BN?共摻雜金剛石的能帶結構及態密度計算結果
相關成果以“Synthesis pathways of BN? co-doped diamond for n-type doping: a theoretical study”為題，發表于《Functional Diamond》期刊。該工作為解決金剛石n型摻雜難題提供了新的理論依據，也為未來基于金剛石的高功率電子器件、射頻器件以及極端環境半導體應用奠定了重要基礎。
研究結果表明，BN?缺陷能夠在金剛石導帶底附近形成明顯的施主能級，其施主電離能約為0.132 eV，表現出典型的淺施主特征，理論上具備實現室溫電子激活的潛力。進一步的形成路徑分析發現，氮相關前驅體在促進B–N缺陷形成過程中發揮重要作用，其中BN缺陷與替位氮結合生成BN?，是最有利的形成途徑之一。在216原子模型中，該反應能達到?1.04 eV，說明該過程具有較高的熱力學穩定性。
相比之下，隨著氮含量進一步增加，BN?和BN?等富氮缺陷復合體雖然能夠形成，但其穩定性明顯下降，更容易發生分解反應。此外，研究還發現，材料內部存在的微小壓縮或拉伸應變會改變BN?周圍B–N鍵和B–C鍵的長度，同時影響局域電子分布，從而進一步調節缺陷結構的穩定性。這表明，在實際CVD/MPCVD金剛石生長過程中，殘余應變控制也是影響BN?形成效率的重要因素。
該研究系統揭示了BN?共摻雜金剛石的形成機制，明確了不同B–N缺陷復合體之間的穩定性差異，并提出了促進BN?形成的關鍵調控方向。研究指出，通過優化氮源濃度、調控生長溫度以及降低或合理利用殘余應變，有望提高BN?缺陷的形成概率，為制備高質量n型金剛石材料提供理論指導。
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