文章导读
你知道只换一个原子能把半导体“翻脸”成型吗？西安交大张锦英团队首次合成出结构明确的紫磷砷单晶，证明以砷替代P12位点能把天然p型紫磷转为高性能n型：沿〈010〉方向电子有效质量从1.792m0降到0.515m0，器件级电子迁移率达2622 cm2·V−1·s−1，室温场效应晶体管也实现137 cm2·V−1·s−1。文章解析了原子替代对能带与载流子迁移的调控机制，为磷基半导体在高性能场效应器件中的设计提供了可操作的路线。
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紫磷作为最稳定的磷同素异形体，在光电及催化领域展现出优异性能。调控其能带结构与载流子有效质量是提升半导体性能的关键，其中原子替代是一种有效策略。然而，在磷基半导体中实现原子替代并同时保持其本征晶体结构仍具挑战，尤其是难以确定原子取代位置和比例。因此，合成具有明确原子结构的紫磷基替代单晶，并阐明其载流子有效质量与迁移率的调控规律，对于推动高性能半导体器件的发展具有重要意义。
针对以上问题，西安交通大学电气工程学院、电工材料电气绝缘全国重点实验室张锦英课题组首次合成了紫磷砷单晶并实现了p型紫磷向高性能n型紫磷砷的半导体类型转变。课题组采用熔融铅法成功合成了紫磷砷单晶，通过单晶X射线衍射技术解析了其晶体结构为P83.4As0.6（CSD-2408761)，其结构与紫磷相似，其中P12位置被砷/磷（As/P）原子占据成为As1/P12的混合占据位点。实验和理论计算证明，砷取代可以调整紫磷的能带结构，将p型紫磷转换为高性能n型紫磷砷。通过砷替代，沿<010>方向的有效电子质量从1.792 m0显著降低到0.515 m0，从而使紫磷砷的电子迁移率提高至2622.503 cm2 V-1 s-1。在常温空气氛围中测试P83.4As0.6纳米片（61.2 nm）构建的场效应晶体管获得137.06 cm2 V-1 s-1的高电子迁移率，远高于紫磷纳米片的空穴迁移率（4.07 cm2 cm2 V-1 s-1，73.3 nm）。本工作为设计用于场效应晶体管的磷基材料提供了新思路。
上述研究成果以《紫磷砷：砷替代使p型半导体转化成高性能n型半导体》（Violet Arsenic Phosphorus: Switching p‑Type Into High Performance n‑Type Semiconductor By Arsenic Substitution）为题发表在材料领域顶级期刊《纳微快报》（Nano-Micro Letters，影响因子36.3）上。论文第一作者为西安交通大学电气学院博士生翟锐、赵雪雯和硕士生温卓睿，通讯作者为西安交通大学电气学院张锦英教授，该工作由国家自然科学基金、电气绝缘与电力设备国家重点实验室项目、中央高校基本科研业务费自由探索专项资金、西安交通大学青年拔尖人才支持计划支持，也得到了西安交通大学分析测试共享中心的大力支持。
论文链接：https://link.springer.com/article/10.1007/s40820-025-01956-1
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