打破“高迁移率p型神话”:二氧化碲p型半导体的真相

360影视 2024-12-26 00:10 3

摘要:Zewen Xiao, Chen Qiu, Su-Huai Wei, and Hideo Hosono, Is p-Type Doping in TeO2 Feasible? Chinese Physics Letters 42, 016103 (2025).

Zewen Xiao, Chen Qiu, Su-Huai Wei, and Hideo Hosono, Is p-Type Doping in TeO2 Feasible? Chinese Physics Letters 42, 016103 (2025).

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/42/1/016103

高性能透明氧化物半导体(TOS)在下一代透明电子器件、电力电子和节能显示器领域具有至关重要的作用。然而,缺乏高迁移率的p型TOS一直是设计双极性晶体管、反相器电路和透明薄膜晶体管(TFTs)的关键挑战。传统的观点认为,氧化物中空穴的产生和传输较为困难,主要因为其价带顶(VBM)主要由氧2p轨道组成,能量较低且局域化。

近年来,一些研究尝试通过引入具有较高能量的d¹⁰或s²轨道的阳离子来提高和分散VBM,例如利用Cu(I)实现了Cu(I)基p型TOS。根据元素周期律,常用p区阳离子的s²态的能级依次为:Sn(II) → Pb(II) → Sb(III) → Bi(III) → Te(IV) → Po(IV)。然而,基于这一趋势,人们普遍认为TeO₂由于其较深的Te 5s²轨道,更难以实现p型掺杂。

然而,2021年有研究报道称,二维β-TeO₂ 是一种具有高迁移率的p型透明半导体(Nat. Electron. 4, 277, 2021),这一“突破”不仅挑战了TeO₂作为绝缘体的传统认知,也与化学趋势预测的空穴掺杂难度相悖。更令人困惑的是,该研究报告的费米能级位于价带顶以上0.9 eV处,这表明材料应该是一种绝缘体,与霍尔效应测量得到的高空穴密度相矛盾。此外,该研究样品中检测到的残余硒和可能的还原态碲进一步增加了复杂性,因为元素硒、碲以及Te₁₋ₓSeₓ本身就是高迁移率的p型半导体。

近日,来自华中科技大学、宁波东方理工大学以及东京科学大学的研究团队在《Chinese Physics Letters》期刊上发表了一篇题为“Is p-Type Doping in TeO2 Feasible?”的快讯,对近年来备受关注的二维氧化碲(β-TeO2)的p型掺杂可行性提出了质疑

为了厘清二维β-TeO₂中观察到的p型导电性的真正原因,本研究团队采用了密度泛函理论(DFT)计算,系统地研究了块体和二维形态下的TeO₂的电子结构和掺杂特性。研究人员计算了α-、β-和γ-TeO₂的块体结构以及二维β-TeO₂纳米片的电子能带结构,并分析了各种本征缺陷的形成能和跃迁能级。

计算结果表明,无论是块体的α-、β-或γ-TeO₂,还是二维β-TeO₂纳米片,TeO₂都表现出固有的绝缘特性,并且由于其较浅的导带底和较深的价带顶,在载流子掺杂方面面临挑战。

具体而言:

能带结构分析:计算表明,TeO₂的价带顶主要由氧2p轨道组成,能量较低,而Te 5s²轨道能量较深,不足以像Cu 3d¹⁰和Sn 5s²轨道那样有效地提升价带顶以实现p型掺杂。

缺陷计算:无论是块体还是二维β-TeO₂,所有本征缺陷都具有较高的形成能,且其跃迁能级都位于带隙中间。这导致平衡费米能级始终位于带隙中间区域,不受合成条件的影响,表明TeO₂的本征导电性为绝缘性。

与实验结果的矛盾:研究人员指出,先前报道的二维β-TeO₂的费米能级位置与其实验测得的p型导电性不符。理论计算表明,在报告的费米能级下,空穴密度应该可以忽略不计。

来源:度半科技圈

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