导读

宽带隙晶体的功能可通过精确可控地引入缺陷中心来激活。这些缺陷中心可用作量子比特、单光子发射器，以及压力、磁场、电场、热导率和介电常数传感器，尤其适合极限微型化应用。宽带隙晶体因其在光电子和传感技术中的巨大应用潜力引起了广泛关注。然而，这些功能的实现受到晶体绝缘特性的限制，例如，在金刚石、碳化硅或氧化铝等高绝缘晶体中，缺陷的电激发一直面临很大困难。

近日，新加坡国立大学的Magdalena Grzeszczyk教授和Maciej Koperski教授团队通过在六方氮化硼（hBN）中引入碳中心，构建了基于垂直隧道结的缺陷激发技术。通过利用范德华技术对器件进行精确设计，实现了对缺陷内部跃迁的高效电激发。与亚带隙状态下的光学激发相比，这种电激发方式的效率提高了几个数量级。这项研究在开发宽带隙晶体中的缺陷中心电驱动器件方面具有重要意义。

该成果近日发表在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》，题为“Electroluminescence from pure resonant states in hBN-based vertical tunneling junctions”。Magdalena Grzeszczyk为论文的第一作者兼通讯作者，Maciej Koperski为共同通讯作者。

创新研究

1. 基于hBN的垂直隧道结构设计

图1. 垂直隧道器件结构的设计（图源：fig.1）

hBN通过碳掺杂引入明确、均匀分布且可重复的辐射缺陷中心。为了确保hBN薄膜能有效充当隧道屏障，结晶质量必须足够高。因此，本文采用高压温度梯度方法生长了块状hBN晶体，并通过调节石墨炉中的退火时间来控制碳杂质的浓度。退火时间不同，碳掺杂的hBN从黄色到黑色不等，而原始的透明hBN则保持不变（见图1a和b）。碳掺杂过程激活了光致发光（PL）光谱中的多个共振，涵盖了紫外、可见光和近红外光谱区域。将光学激发转化为电学激发需要控制参与隧道效应和辐射复合过程的电荷载流子的动态。基于此，团队制造了两种不同结构的隧道屏障器件（如图1c-f所示）。

2. 光电特性表征

图2. Gr/hBN/Gr器件的电致发光表征（图源：fig.2）

研究发现，隧穿过程与辐射复合过程在EL光谱中展现出两种本质上不同的特征：一种是宽带特征（由带隙中缺陷能级与电子子带之间的跃迁产生），另一种是狭窄的共振特征（由缺陷内部激发引起）。一般而言，缺陷到导带的跃迁与缺陷内部的光学跃迁，其偏压阈值受多个因素影响。这些因素包括中间带隙能级的电子结构，以及石墨烯中费米能级相对于hBN能带边缘的相对位置，两者共同决定了跃迁的条件。最终，这些因素形成了一个三角形的隧道势垒。在Gr/hBN/Gr器件中，这两种类型的EL阈值在5 V时重合，此时隧道电流为400nA。缺陷内跃迁对EL光谱的低贡献表明，Gr/hBN/Gr 器件在τtunnel<<τrad的情况下运行。

为了达到 τ_tunnel>>τ_rad的状态，以提高缺陷内辐射跃迁的效率，团队设计了具有更宽的屏障和额外的非对准hBN/hBN界面的Gr/hBN/hBN/hBN/Gr器件，其零偏置电阻增加了两个数量级以上（达到了约20 GΩ）。在Fowler–Nordheim隧穿效应作用下的Gr/hBN/hBN/hBN/Gr器件中，直接通过导带或价带的Gr–Gr隧穿效应成为了主要机制，导致器件中表现出缺陷到带跃效率的降低。随着电压的增加，三角形隧道屏障的有效宽度减小，使得Gr–Gr隧穿效应表现得更加显著。

图3. Gr/hBN/hBN:C/hBN/Gr器件的电致发光表征（图源：fig.3）

3. 机理研究

本研究提供了通用的指导方针，适用于从理解隧穿过程的物理机制到激发/猝灭特定辐射路径及调节光电设备的发光效率的过渡。研究在相同物理条件下对单一设备的光致发光（PL）和电致发光（EL）光谱测试，为这一分析提供了定量背景。结果显示，hBN晶体对光子是透明的，但在带隙中对电子是不透明的。如图4所示，在Fowler–Nordheim隧穿过程中，随着隧道偏置的增加，缺陷A1–A3的发射能量出现红移。这种红移归因于注入到hBN导带中的电子的屏蔽效应，这导致有效介电常数增加，并降低了与hBN中的碳和空位中心相关的缺陷光学跃迁的能量。相反，对于Gr/hBN/Gr器件而言，在带隙中发射能量的变化与斯塔克效应一致。因此，这些器件中发射能量的可调性来源于介电屏蔽效应和斯塔克效应之间的竞争，其中隧穿机制的作用更为显著。

图4. hBN中碳中心的电学和光学激发及偏置驱动的发射能量控制（图源：fig.4）

总结与展望

这项研究成功开发了一种基于垂直隧道结的LED，采用hBN作为屏障材料，提出了一种独特的机制，其中中间带隙的缺陷能级作为共振态，产生了高度可调的电子隧穿现象。通过对这些器件光电特性的深入表征，作者揭示了器件电性能与光响应之间的普遍原理，这些原理由带结构工程控制的电子动力学主导。尽管基于绝缘材料的LED在技术上存在挑战，但它们能够实现纯共振态，并通过高隧道屏障实现对辐射跃迁效率的前所未有的控制。这一研究为宽带隙二维材料的光电应用铺平了道路，这些材料有潜力在微型隧道器件中发挥重要作用。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41377-024-01491-5