德州大学达拉斯分校 Chemistry of Materials: 高迁移率高相稳定性p型金属氧化物半导体设计

【研究背景】

金属氧化物这一类半导体被用作透明导电电极而广泛应用于光电和显示器件中。常见的由金属氧化物形成的半导体有TiO₂，SnO₂和In₂O₃。一个明显的缺点是，由于在金属氧化物中空穴迁移率通常远远低于电子迁移率，这些金属氧化物只能n型导电。研究具有高空穴迁移率的p型氧化物对于发展CMOS工艺具有十分重要的意义。目前被广泛研究的p型氧化物半导体有SnO，NiO，Cu₂O，PdO等等，这些氧化物的价带顶因为有金属原子轨道和氧原子的p轨道杂化使得价带顶能带色散增强，因而空穴有效质量比较小，迁移率比较大。然而这些二元氧化物的禁带宽度都比较小不太适合作透明电极或者逻辑控制晶体管，而且这些p型氧化物中金属价态较低容易被进一步氧化，造成材料的不稳定。进一步研究并设计具有高迁移率高相稳定性的p型氧化物对于发展高性能的金属氧化物具有十分重要的意义。

【成果简介】

对此，德州大学达拉斯分校KJ Cho课题组提出了通过引入第三种元素到二元金属氧化物的方法来改善p型氧化物禁带宽度小相稳定性弱的缺点。他们提出了一个化学式通式：M-O-X，其中M是Sn²⁺，Ni²⁺，Cu¹⁺，Pd²⁺等这些处于相对还原态的金属，是产生低空穴有效质量高空穴迁移率的原因，而X则是第三种元素用来调节禁带宽度和相稳定性。在这个工作中他们以SnO为例，探究了通过引入第三种元素X形成Sn-O-X三元化合物来增大二元化合物SnO禁带宽度和Sn²⁺的相稳定性。相关研究成果以“First Principles Design of High Hole Mobility p-Type Sn–O–X Ternary Oxides: Valence Orbital Engineering of Sn²⁺ in Sn²⁺–O–X by Selection of Appropriate Elements X”为题发表在Chemistry of Materials上。

【图文导读】

图一、筛选高迁移率高相稳定性p型氧化物半导体流程

Figure 1 Illustration of materials screening procedure for high-mobility and thermodynamically stable p-type oxides.

表一、基于Sn²⁺的高迁移率高相稳定性p型氧化物半导体

图二、p型氧化物半导体化学势相图

Figure 2 Phase stability diagrams of the most promising Sn-O-X compounds calculated from first principles in terms of Sn-X chemical potential maps. The panels refer to (a) K-Sn-O, (b) Rb-Sn-O, (c) P-Sn-O, (d) Ti-Sn-O, (e) Ta-Sn-O, (f) Cs-Sn-O, (g) Na-Sn-O, (h) Ge-Sn-O, and (i) B-Sn-O. The green region of Sn and X chemical potentials indicates where the identified p-type Sn-O-X compound phase is thermodynamically stable. The inserts to subfigures (g)-(i) show the zoomed-in stability areas of Sn²⁺-O-X ternary compounds. current phase diagram calculations.

图三、p型氧化物半导体其形成能与SnO含量的关系

Figure 3 Calculated stabilization energy δE' of a Sn²⁺-O-X compound versus the SnO mole fraction in that Sn²⁺-O-X compound. For a given phase P, its δE' is calculated as the energy distance from the phase P to the convex hull surface calculated without P. For the same X, Sn²⁺-O-X with a higher SnO content generally possesses a more positive δE and lower phase stability.

【结论展望】

通过引入第三种元素到二元金属氧化物可以来改善p型氧化物禁带宽度小相稳定性弱的缺点。这个方法成功的筛选出了基于Sn²⁺的高空穴迁移率高相稳定性的三元化合物: K₂Sn₂O₃, Rb₂Sn₂O₃, TiSnO₃, Ta₂SnO₆, 和Sn₅(PO₅)₂。这个方法还能推广到其他p型金属氧化物中并且引出了一个更广的概念：M-O-X，其中M是Sn²⁺，Ni²⁺，Cu¹⁺，Pd²⁺等这些处于相对还原态的金属，是产生低空穴有效质量高空穴迁移率的原因，而X则是第三种元素用来调节禁带宽度和相稳定性。这个概念应用到其他p型金属氧化物中会设计出更高性能的p型金属氧化物半导体。

文献链接：First Principles Design of High Hole Mobility p-Type Sn–O–X Ternary Oxides: Valence Orbital Engineering of Sn²⁺ in Sn²⁺–O–X by Selection of Appropriate Elements X (Chemistry of Materials, 2020, DOI: 10.1021/acs.chemmater.0c03495)

本文由作者供稿。