武汉大学张召团队:终端工程实现金刚石异质结与金半接触性能可控调制

本工作系统探究了表面终端改性对金刚石电子亲和能的调控效应，实现了电子亲和能-3.95 eV~2.71 eV的宽范围调制。在此基础上，以金刚石/氧化镓异质结与金刚石/金属铂接触界面为研究对象，探究了终端改性对金刚石界面特性的作用机制，实现了异质结能带台阶0.58 eV~4.34 eV、金属-金刚石肖特基势垒-0.78 eV~2.14 eV的大范围连续可调。研究明确三大核心规律：终端表面偶极矩与带隙态共同主导金刚石电子亲和能的演变；界面范德华间隙使异质结能带台阶与金刚石电子亲和能呈现良好线性关系；无表面态的终端结构可有效解除金属-金刚石界面的费米能级钉扎效应。

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研究背景

金刚石是典型的超宽禁带半导体，兼具优异的物理、机械与电学性能，是下一代高性能半导体器件的核心候选材料。但金刚石器件的产业化应用始终受制于两大界面难题：一是金刚石与半导体异质结界面的能带对齐难以精准调控；二是金属/金刚石界面存在大量表面态与金属诱导间隙态，引发严重的费米能级钉扎，极大限制了肖特基势垒的可调性。表面终端改性可有效调控金刚石电子亲和能与能级位置，为解决上述界面瓶颈提供了有效技术路径。现阶段研究尚未系统阐明不同终端结构对金刚石电子亲和能、异质结能带对齐及肖特基势垒的定量调控机理，缺乏完善的理论体系支撑金刚石器件的性能优化与结构设计。基于此，本文依托第一性原理计算，系统开展金刚石表面终端改性研究，探究其对异质结界面与肖特基接触特性的调控机制。

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本文亮点

（1）系统研究24种金刚石表面终端结构，实现电子亲和能-3.95~2.71 eV的宽幅调控，从原子尺度揭示了不同终端修饰对金刚石电子亲和能的微观影响机理。

（2）基于氧化镓/金刚石异质结模型，通过表面终端工程实现异质结能带台阶0.58~4.34 eV的动态调控，系统阐释了终端改性对金刚石基半导体异质结的多重作用机制。

（3）依托终端改性技术实现金刚石/金属界面肖特基势垒高度-0.78~2.14 eV的大范围调谐，厘清了金属-金刚石界面的费米能级钉扎机制，通过表面态钝化有效实现了界面费米能级解钉扎。

图2阐明了不同表面终端调控金刚石电子亲和能的微观机理。图2(a)为H、F、O1、P四种终端修饰金刚石(111)表面的差分电荷密度与Bader电荷分布，红色对应得电子、蓝色对应失电子，可依据界面电荷转移特征与原子间距定量计算各结构的表面总偶极矩强度。图2(b)为电子亲和能与表面总偶极矩的关联曲线，其中灰色圆点代表含表面态终端、彩色圆点代表无表面态终端，可见无表面态终端体系下，电子亲和能与表面偶极矩强度呈显著线性相关性。

图2(c)为金刚石(111)-P终端的投影能带结构，结果表明P原子修饰会在金刚石带隙内诱导产生缺陷表面态。结合机理示意图2(d)可明确终端改性的核心调控规律：金刚石表面偶极矩主要调控真空能级位置，而表面态可有效改变导带底能级位置，二者协同作用，共同决定金刚石表面的最终电子亲和能数值。

图3阐释了终端结构对氧化镓/金刚石异质结能带对齐的调控机制。图3(a)、(b)分别展示了共价键合氧化镓(100)/金刚石(100)与范德华键合氧化镓(100)/金刚石(100)-H的界面原子弛豫结构。对应的差分电荷密度结果（图3(c)、(d)）表明，共价键合界面存在显著电荷转移，而范德华界面因固有范德华间隙有效抑制了界面电荷交互，且为凸显其微弱电荷变化，图3(d)坐标标度为图3(c)的十分之一。能带对齐机理示意图（图3(e)、(f)）显示，共价接触的电荷转移会引发能级偏移、改变能带结构，而范德华接触能级基本保持稳定。不同终端结构的异质结能带对齐规律如图3(g)所示，进一步拟合结果表明，金刚石电子亲和能与异质结导带台阶呈良好线性关系（图3(h)），证明通过终端改性调控电子亲和能，可精准实现氧化镓/金刚石异质结导带台阶的可控调制。

图4揭示了终端改性对金属-金刚石半导体接触特性的调控规律。图4(a)-(c)、(d)-(f)、(g)-(i)分别对应Pt与不同终端金刚石界面的原子弛豫结构、投影态密度及界面作用机理，图4(j)-(k)量化了有无表面态终端对应的p型肖特基势垒高度。机理分析表明，无终端金刚石与金属形成共价键合，会诱发高密度金属诱导间隙态与界面态，劣化界面电学性能；无表面态终端可通过界面范德华间隙抑制间隙态生成，解除费米能级钉扎；而含表面态终端会削弱范德华间隙，加剧间隙态穿透与费米能级钉扎效应。定量分析显示，无表面态终端体系的电子亲和能与肖特基势垒高度线性相关性优异，钉扎因子S=0.47，显著高于有表面态体系（S=0.18），证实无表面态终端可有效实现金属-金刚石界面费米能级解钉扎。

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总结与展望

本研究系统探究了金刚石表面终端对电子亲和能、异质结能带偏移及金属接触肖特基势垒的调控机制。通过构建24种差异化终端结构，实现了6.66 eV宽范围的电子亲和能调控，其机制为表面偶极矩调制真空能级、表面态调控导带底位置，二者协同调控金刚石电子亲和特性。针对氧化镓/金刚石异质结，通过构建12种无表面态终端模型，实现最高3.76 eV的能带台阶调控，界面范德华间隙可抑制电荷转移，使导带台阶与电子亲和能呈强线性关联，可实现异质结能带的精准调控。针对金属-金刚石接触体系，24种终端模型计算结果表明，终端改性可实现2.92 eV的肖特基势垒大范围调制。有表面态终端会增强金属诱导间隙态，造成费米能级强钉扎；无表面态终端可借助范德华间隙屏蔽间隙态，有效解除费米能级钉扎、优化界面电学性能。综上，表面终端改性可高效调控金刚石器件的电子与界面特性，本研究结果可为高性能金刚石半导体器件的设计与优化提供重要理论支撑。