主题赛事
返回
深圳平湖实验室命题-第九届中国研究生创“芯”大赛
发布时间：2026-03-16
来源：中国研究生创“芯”大赛
阅读次数：171
关于深圳平湖实验室
深圳平湖实验室于2022年8月由深圳市科技创新局举办成立，是国家第三代半导体技术创新中心（深圳）主体运营单位。实验室围绕SiC和GaN及下一代先进功率电子材料及器件、核心装备及零部件、配套材料等领域，开展核心技术攻关。实验室位于深圳市龙岗区罗山科技园，占地面积130亩，百级洁净间面积9500平米，拥有业界领先的宽禁带功率半导体基础设施，国际、国内各类先进设备380余台套。平台人力规模约500人，汇集海内外顶尖人才，采取开放共享的运行模式，建立由合作伙伴组成的生态系统，打造面向全国的开放、公共、共享的科研平台、中试平台和分析检测中心，共同构建可持续发展的未来。
如需了解更多信息，请访问网站 https://www.szphl.cn/
深圳平湖实验室命题专项奖说明
深圳平湖实验室命题专项奖专门用于奖励选择深圳平湖实验室命题的赛队，深圳平湖实验室命题专项奖是初赛奖，由实验室专家评出。入围决赛的参赛队伍继续参加大赛决赛奖项评比，与初赛命题专项奖互不冲突。
深圳平湖实验室命题专项奖设置
一等奖1队，每队奖金1万元
二等奖3队，每队奖金5千元
创芯大赛-深圳平湖实验室企业命题
在赛事获奖的同学，申请实习可免机考、免技术面试，仅需通过综合面试即可报到实习。表现优异的实习生，更将优先锁定校招录用名额，提前斩获正式Offer。
赛题交流Q群
1084337475
赛题一：金刚石n型掺杂的理论研究
赛题背景
金刚石具有超宽半导体带隙（~5.5 eV）, 超高电子迁移率（~4500 cm2V-1s-1）、高击穿场强（>10 MV/cm）, 和优异的导热性能（~2000 Wm-1K-1）1, 被誉为“终极半导体”。基于其优异的电学、热学性能，金刚石有望作为核心半导体材料应用于高压、高功率以及高温、强辐射等极端环境下的电力电子器件。为了实现高耐压、低能耗、更高安全性能的常关型器件，实现金刚石的双极性掺杂至关重要。已有研究基于氢终端、硼掺杂等方案实现了具有p型导电的金刚石器件应用。相较于p型，金刚石的n型掺杂更具挑战性。
金刚石n型掺杂的难点在于常规的掺杂元素多呈现深施主能级，室温下难以热激发电子形成载流子。形成掺杂缺陷需要较高的形成能，难以进行高浓度的掺杂。此外，由于生长中伴随的氢杂质及空位缺陷，对施主进行了补偿，抑制了金刚石的n型导电。近期已有较多研究开始关注金刚石的n型掺杂问题2, 3。对于单元素掺杂，氮掺杂所形成的氮替位陷附近易产生碳空位，呈现深施主能级（~1.7 eV）4。磷掺杂被认为是最有希望实现金刚石n型导电的方案，且近期已实现磷掺杂n型金刚石的MOSFET器件结构5。然而，磷掺杂仍呈现较高的施主能级（~0.57 eV）和缺陷形成能（~10.7 eV）6。此外，更多的碱金属、碱土金属掺杂7，表面电荷转移掺杂1相继提出。然而，上述方案多针对特殊的终端结构且多是表面掺杂。不同元素共掺方案8可能是实现n型掺杂一个有效途径，但相关研究仍处于初步阶段，部分研究结果仍存在争议和相悖结论2。
如何高效地实现金刚石的n型掺杂是提升金刚石功率器件性能的关键问题。相较于实验研究，第一性原理计算及其相关理论研究方法，因其经济性、高可靠性以及可解释性成为研究的一种重要方式，已广泛应用于半导体材料性能及其掺杂机理的研究9。本赛题旨在采用第一性原理及其相关理论方法研究金刚石的n型掺杂方案，为实验研究提供理论指导。
赛题描述
1.计算方案可靠性验证：基于金刚石的超胞结构，首先采用精确的泛函方法（如杂化泛函）获得精准结构参数和半导体带隙。基于弛豫后的金刚石超胞结构，构建单个位点的碳被磷原子取代形成的点缺陷结构。参见文献【9】的计算方法，计算不同电荷态下的缺陷形成能。形成能的计算主要考虑缺陷形成前后原子化学势及电子能量的变化，其计算公式如下：
具体参数含义参见文献【9】的公式（1）。值得指出的是，由于第一性原理模拟的超胞原子数目有限，以及常用软件需考虑背景电荷模拟带电体系，需采用能量修正方案消除由超胞尺寸和背景电荷引起的能量误差。不同电荷态下的转变能级可参见文献【9】的公式（3）获得：
基于上述研究方法，计算磷掺杂金刚石体系的缺陷形成能及施主能级，并与已报导的实验数据及理论结果进行对比验证，确定计算方法的可靠性。
鼓励参赛者采用新颖的研究方法研究半导体的缺陷能级（如机器学习方法学习哈密顿量来研究电子结构、采用线性标度下的密度泛函方法研究更大超胞构型等），并充分验证计算方法的可靠性。
2.金刚石n型掺杂方案的探索：基于上述验证的研究方案，考察采用其他元素和磷共掺（或调控掺杂元素的化学势、利用不同衬底引起的应变调控，或更优的掺杂元素）等可能方案获得一种较磷掺杂具有更低的形成能及施主能级的掺杂方案。在计算过程中，需考察可能的缺陷补偿作用，如碳空位、氢杂质等。对研究结果给予充分的物理机理解释。具体掺杂方案不做限制，但需考虑实验的可行性。
评分标准
1.计算结果的可靠性（20%）：计算方法的可靠性需严格验证，如金刚石晶格参数大小、半导体带隙大小，以及对磷掺杂金刚石施主能级的验证。
2.掺杂方案的有效性和可行性（50%）：提出的掺杂方案可显著降低施主能级及缺陷形成能，且不易被本征缺陷及常见的碳空位和氢杂质所补偿，实验上有望实现（如掺杂元素低毒性、不对半导体产线造成污染等）。
3.研究方法的新颖性及机理解释的合理性（30%）：发展新型的研究方法研究半导体缺陷能级，对掺杂能级及形成能的变化给予充分合理的物理解释。
参赛要求
要求学生具有一定的第一性原理及相关理论研究经验，了解半导体材料。
答疑邮箱
zhaxianhu@phlab.com.cn
参考文献
1. X. Wang, D. Liu, X. Wang, Y. Li, G. Wu and S. Luo, Diamond Relat. Mater. 156, 112419 (2025).
2. M. Sultana, S. Karmakar and A. Haque, Mater. Sci. Semicond. Process. 186, 109024 (2025).
3. M. Li, D. Yu, S. Shen and X. Liu, Carbon Lett. 35, 1981 (2025).
4. 牛科研, 张 璇, 崔博垚, 马永健, 唐文博, 魏志鹏, 张宝顺, 人工晶体学报 51, 841 (2022).
5. M. Liao, H. Sun and S. Koizumi, Adv. Sci. 11, 2306013 (2024).
6. R. Roychoudhury, E. J. Charlson, T. Stacy, M. Hajsaid, E. M. Charlson and J. M. Meese, J. Appl. Phys. 81, 3644 (1997).
7. Y. Liu, X. Sun, J. Wu, N. Gao and H. Li, Mater. Today Commun. 41, 110882 (2024).
8. X. Sun, W. Shen, C. Cheng, G. Wu, K. Liang, D. Zhang and S. Wang, J. Phys. D: Appl. Phys. 57, 215107 (2024).
9. C. Freysoldt, B. Grabowski, T. Hickel, J. Neugebauer, G. Kresse, A. Janotti and C. G. Van de Walle, Rev. Mod. Phys. 86, 253 (2014).
