立方氮化硼的晶体特性及光吸收的研究

立方氮化硼的晶体特性及光吸收的研究

【摘要】立方氮化硼（（CubieBoronNitride cBN）是一种人工合成的半导体材料，有很优异的物理、化学性质。cBN禁带较宽，宽度达 6.4eV，截止波长为193nm，非常适合用于深紫外日盲区的探测。与其它用于紫外光探测的材料相比cBN具有介电常数小、禁带宽度更大、寄生电容小、工作温度高、器件的响应速度快、抗高能粒子辐射、耐腐蚀等优点，而且材料的击穿电压较高，是一种发展前景广阔的半导体材料。本文对立方氮化硼结构及对光吸收进行研究，指出其性质特点，揭示光吸收机理。

【关键词】立方氮化硼;晶体;光吸收

1.引言

立方氮化硼（cBN）晶体是人工合成的晶体，是自然界不存在的一种原生矿，到目前为止，还没有发现天然的cBN 晶体。1957年，美国采用超高压技术合成出cBN[1]，20世纪60年代初，前苏联、德国、日本和英国也相继成功地合成出了cBN，1966年，郑州的磨料磨具磨削研究所成功合成出中国第一颗cBN，从而拉开了中国cBN的研究序幕。cBN单晶的熔点高，硬度大、热传导率高，这与金刚石晶体很相似，从化学稳定性、抗氧化性等方面来讲，cBN晶体更显优越。n型、p型的cBN晶体可通过杂质掺杂技术可以得到，它是结构最简单的Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体材料，在Ⅵ族和Ⅲ-Ⅴ族的化合物材料中，cBN晶体的禁带宽度最大。cBN是一种典型超硬材料，不但在机械加工领域已经得到了广泛应用，在高温、高功率宽带器件及微电子学领域也有着广泛的应用前景，它可作为光的高次谐波发生器、光学整流器、电光调制器、光参量放大器、可见-紫外光转换器等。立方氮化硼材料的特性及对光的吸收研究对航空、严酷环境条件下应用器件的突破及国民经济各领域都有着重要的现实意义。

2.立方氮化硼晶体的结构和性质

2.1 立方氮化硼晶体的结构

图1 立方氮化硼的晶体结构

图2 晶体中B、N原子排列构成正四面体

立方氮化硼晶体的堆垛方式是ABCABC…的形式，BN的形成原因可利用杂化轨道理论解释。到目前为止，氮化硼有五种相：sp2杂化、sp3杂化的相各两种，分别是六角和菱面体氮化硼、六方和立方氮化硼;混合相一种：sp2与sp3杂化。氮化硼的相结构在一定的条件下可相互转变。cBN具有类似于金刚石的晶体结构，如图1和图2所示，每一层结构都是按紧密堆积的原则形成，由硼原子和

氮原子构成的单层互相交替。它是氮化硼sp3杂化后形成的，晶体中的结合键也都是沿四面体杂化轨道形成的共价键，不区别在于金刚石中的结合键是C-C共价键，而立方氮化硼晶体中的结合键是B-N不同种类原子间的共价键，还有一些的结合较弱的离子键。

2.2 立方氮化硼晶体的性质

cBN与金刚石结构和性质很相似，表1列出两种材料的基本性质对比，表1表明：在硬度和热导率方面立方氮化硼晶体比金刚石小，但cBN 晶体稳定性比金刚石要好，在空气中发生cBN氧化的温度为1200℃，而金刚石是600℃。表2列出了立方氮化硅的基本性质。

表1 立方氮化硼和金刚石的性质对比

表2 立方氮化硼的基本性质

3.立方氮化硼晶体的光吸收

半导体最重要的吸收是价电子吸收，当固定频率的光入射到材料表面时，电子会吸收光子够的能量，从价带跃迁到导带。电子从低能带跃迁到高能带的原理类似于原子中的电子从低能级跃迁到高能级的原理，但原子能级是不连续的，两能级间的能量差是固定的，电子的跃迁只能吸收一定频率的光子，吸收形式表现为线吸收;实际在晶体中，吸收多为连续的能带，因此，光吸收表现为连续的吸收带。

3.1 本征吸收

在绝对零度时，半导体内电子占满所有价带，价带内的电子不会被激发到高能级上。但光入射到材料上，电子有可能吸收足够能量的光子的能量而被激发跃迁入空的导带，在价带中剩余空穴，形成电子-空穴对，如图3所示。

图3 光的本征吸收

图4 电子的直接跃

图5 自由载流子吸收

图6 杂质吸收中的电子跃迁

3.2 跃迁

在电子吸收光子的过程中，必须满足能量守恒外、动量守恒。设电子原波矢

是k，目标状态波矢是k’，对于能带中的电子，hk具有动量的性质，跃迁过程中，k和k’须满足：hk’-hk=hv，如图4所示。

3.3 其它吸收

1）自由载流子吸收

入射到半导体材料的一定频率的光，若入射光子的能量较低，低于禁带宽度，但吸收也也同样存在，且吸收强度与波长有关，随波长的增大而增加。图5表示自由载流子的吸收作用，这是在本征吸收限以外的长波不断增强的吸收。这由自由载流子在带内的跃迁所引起的，我们称之为自由载流子吸收。

2）杂质吸收

价带中的电子跃迁到杂质能级上，与杂质能级上的空穴复合，我们把这种光吸收称为杂质吸收。杂质能级上的电子或空穴也能引起光的吸收。电子吸收光子跃迁到导带，空穴也吸收光子而跃迁到价带，如图6所示。

4.结语

cBN的大尺寸晶体培育技术、用化学气相沉积法培育功能性cBN晶体的技术及其在光、电、热等方面的研究均落后于国际水平，纳米cBN等前沿技术及其产品的开发与应用研究有待提高。cBN晶体经过几十年的研究发展，还只是在作为工程材料这一应用方面卓有成效，但在作为功能材料方面的应用研究还有需提高，其具有潜在前景，希望人们去探索、开发、应用。以后提及cBN材料时，不仅要把cBN用作工程材料作为主流，也要把cBN作为功能材料来开发，这样才能使cBN材料及其应用得到全方位的发展，为社会创造更大的价值。

参考文献

[1]Wentorf R H.Cubic form of boron nitride[J].Chem Phys，1957，26：956

[2]冯双.立方氮化硼紫外光电效应的研究[D].吉林大学，2010

[3]刘海波.立方氮化硼单晶半导体特性及电致发光现象的研究[D].吉林大学，2008

课题来源：吉林省教育厅“十一五”科学技术研究项目（2010496号）。