德州大學達拉斯分校 Chemistry?of?Materials: 高遷移率高相穩定性p型金屬氧化物半導體設計

【研究背景】

金屬氧化物這一類半導體被用作透明導電電極而廣泛應用于光電和顯示器件中。常見的由金屬氧化物形成的半導體有TiO₂，SnO₂和In₂O₃。一個明顯的缺點是，由于在金屬氧化物中空穴遷移率通常遠遠低于電子遷移率，這些金屬氧化物只能n型導電。研究具有高空穴遷移率的p型氧化物對于發展CMOS工藝具有十分重要的意義。目前被廣泛研究的p型氧化物半導體有SnO，NiO，Cu₂O，PdO等等，這些氧化物的價帶頂因為有金屬原子軌道和氧原子的p軌道雜化使得價帶頂能帶色散增強，因而空穴有效質量比較小，遷移率比較大。然而這些二元氧化物的禁帶寬度都比較小不太適合作透明電極或者邏輯控制晶體管，而且這些p型氧化物中金屬價態較低容易被進一步氧化，造成材料的不穩定。進一步研究并設計具有高遷移率高相穩定性的p型氧化物對于發展高性能的金屬氧化物具有十分重要的意義。

【成果簡介】

對此，德州大學達拉斯分校KJ?Cho課題組提出了通過引入第三種元素到二元金屬氧化物的方法來改善p型氧化物禁帶寬度小相穩定性弱的缺點。他們提出了一個化學式通式：M-O-X，其中M是Sn²⁺，Ni²⁺，Cu¹⁺，Pd²⁺等這些處于相對還原態的金屬，是產生低空穴有效質量高空穴遷移率的原因，而X則是第三種元素用來調節禁帶寬度和相穩定性。在這個工作中他們以SnO為例，探究了通過引入第三種元素X形成Sn-O-X三元化合物來增大二元化合物SnO禁帶寬度和Sn²⁺的相穩定性。相關研究成果以“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”為題發表在Chemistry of Materials上。

【圖文導讀】

圖一、篩選高遷移率高相穩定性p型氧化物半導體流程

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

表一、基于Sn²⁺的高遷移率高相穩定性p型氧化物半導體

圖二、p型氧化物半導體化學勢相圖

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.

圖三、p型氧化物半導體其形成能與SnO含量的關系

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.

【結論展望】

通過引入第三種元素到二元金屬氧化物可以來改善p型氧化物禁帶寬度小相穩定性弱的缺點。這個方法成功的篩選出了基于Sn²⁺的高空穴遷移率高相穩定性的三元化合物: K₂Sn₂O₃, Rb₂Sn₂O₃, TiSnO₃, Ta₂SnO₆, 和Sn₅(PO₅)₂。這個方法還能推廣到其他p型金屬氧化物中并且引出了一個更廣的概念：M-O-X，其中M是Sn²⁺，Ni²⁺，Cu¹⁺，Pd²⁺等這些處于相對還原態的金屬，是產生低空穴有效質量高空穴遷移率的原因，而X則是第三種元素用來調節禁帶寬度和相穩定性。這個概念應用到其他p型金屬氧化物中會設計出更高性能的p型金屬氧化物半導體。

文獻鏈接：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。