取代掺杂（Substitutional doping）过程是使用杂质离子等位替换主体的方法，取代掺杂广泛应用于控制半导体的双极性（ambipolar，指电子与正离子都是向相反方向移动的），这对器件的应用至关重要。

但是，由于缺乏合适的等位掺杂（即零价）杂质，如何实现p型掺杂的有效性在单价阳离子化合物中仍非常困难。

有鉴于此，东京工业大学Hideo Hosono教授、日本产业技术综合研究所(AIST) Kosuke Matsuzaki研究员等报道提出了一种替代p型和n型掺杂的方法，该方法通过同价碱金属杂质，在Cu(I)半导体中实现了电子浓度约为10¹⁵ cm^-3的氮化铜。

本文要点

（1）

在间隙位置掺杂尺寸比较小的同价锂金属可以增强n型电导率，电子浓度可以控制在10¹⁵~10¹⁸ cm^-3的范围。但是，当使用尺寸较大的Cs和Rb杂质有助于产生p型转换，得到空穴浓度达到10¹⁴~10¹⁷ cm^-3。第一性原理计算表明，Li的掺杂属于间隙杂质，充当浅给体，在Cu缺陷位点产生中性杂质。

（2）

当杂质离子的尺寸增加，并且超过了空位容纳的尺寸，主体Cu⁺和Cs⁺/Rb⁺杂质之间产生排斥作用，因此能够形成多受体Cu空位。Cs或Rb杂质位于N的位置，同时伴随着六个相邻的Cu空位，因此形成受体缺陷结构。这种取决于掺杂原子尺寸的同价杂质掺杂方法能够用于单价阳离子半导体光电器件的发展提供新方法。

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Kosuke Matsuzaki*, Chen-Wei Chang, Teruya Nagafuji, Naoki Tsunoda, Yu Kumagai*, Kenji Nomura, Fumiyasu Oba, and Hideo Hosono*, Size-Dependent Isovalent Impurity Doping for Ambipolar Control in Cu₃N, J. Am. Chem. Soc. 2024

DOI: 10.1021/jacs.4c08579

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c08579