寻找下一个顶级半导体:氧化亚铜与硅

2021-05-11 13:53:36 来源:EETOP编译

争夺硅冠的半导体材料无处不在,多年来一直在研究的一种基材是氧化亚铜。它是雷达上的一个闪光点还是下一个继承者?

半导体材料方面,Si和GaN是主要参与者。然而保留一些其他选择总是好的。现在在研究中不断出现的一种材料是氧化亚铜(或氧化铜I)。

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不同材料的导热系数。图片由攀时提供

氧化亚铜是最早发现的具有半导体性能的材料之一。本文探讨了这种独特材料的一些好处和用途。

什么是氧化亚铜?

氧化亚铜是一种半导体,其带隙范围从2.0到2.2eV不等,并且具有光伏特性。作为化学式为Cu 2 O的铜的p型氧化物,它可以以薄膜或纳米颗粒的形式存在,由于其成本低,提供了新的物理特性,对基础研究非常有用。

在过去的几十年中,研究人员已经确定了多种合成氧化亚铜的方法。发现的一些技术是:

  • 热氧化
  • 化学气相沉积
  • 阳极氧化
  • 反应溅射
  • 电沉积
  • 等离子蒸发
  • 溶胶-凝胶状浸涂技术

即使经过广泛的研究,使用这些方法的一个重大障碍是产生Cu、CuO和Cu2O的混合相,导致氧化亚铜作为半导体的应用很少。

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通过反应溅射制备氧化亚铜(Cu 2 O)((a)Cu膜(100%Ar),(b)Cu2O膜(95:5),(c)Cu 2 O膜(90:10)和(d) Cu2O膜(80:20))。图片由Dolai等提供

尽管存在应用上有一些缺点,但它确实在太阳能电池,透明电子设备,可充电锂电池电极和忆阻器中具有 潜在用途。

氧化亚铜的电子性质研究

氧化亚铜的研究一直在进行,即了解其电子性能和作为半导体材料的潜力。

一个研究小组报告说,当它被掺入12.5%的锌时,它的光学性能得到了提高,可以应用于光催化和传感器设备。根据另一个小组的研究,将其掺入0.34%浓度的F元素后,其带隙从1.96eV降至1.91eV。

但是,它的光电压和光电流密度分别增加到0.4457 V和2.79 mA / cm2。

其他值得注意的研究包括:

l 氧化亚铜与石墨烯结合,形成Cu2O/RGO复合材料,用于增强照明应用

l 氧化亚铜以相对较低的成本开发改进的p型薄膜晶体管(TFT)。

l 退火方法对化学沉淀法制备的氧化亚铜及其形态学和光学特性的影响

l ALD Al2O3表面钝化对p型氧化亚铜TFT性能的作用

这些迹象表明,氧化亚铜的性能有了持续的改善,可以扩大其应用范围。

这些表明氧化亚铜性能得到了持续改进,可能会扩展其应用范围。

技术应用

氧化亚铜在电子产品中的主要应用包括超级电容器、锂离子电池、光催化、太阳能转换和传感应用。尽管目前这些应用还有限,但仍然值得探索。

超级电容器和锂离子电池的电极

氧化亚铜适合作为锂离子电池的阳极材料,因为它的结构可控,多态形式,以及高循环能力。

光催化和太阳能转换

由于自然界中丰富的铜和氧,适当的可见光吸收带隙,以及相对容易和便宜的制造,氧化亚铜适用于大规模的太阳能转换。

传感器

氧化亚铜薄膜可通过将气体分子吸附在其表面上而用于气体传感,因此会引起明显的电导率变化。精确地,热氧化合成的氧化亚铜可以高灵敏度,快速响应和恢复时间感应甲烷气体。

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氧化亚铜的太阳能转换的图像。图片由Wick和Tilley提供

氧化亚铜与Si和GaN的比较

下表显示了上述半导体性能之间的比较:

 

氧化亚铜

氮化镓

晶体结构

立方晶体结构

金刚石立方晶体结构

纤锌矿晶体结构

带隙

2.137 eV

1.1 eV

3.2 eV

电子迁移率

100厘米2 / Vs

1500厘米2 / Vs

2000厘米2 / Vs

对上表的分析证实,这三种半导体具有不同的晶体结构,这是因为它们的单元格存在差异。氮化镓的高带隙意味着它需要更高的能量来激发价电子进入半导体的导带。然而,具有相对较低带隙的氧化亚铜和硅需要较少的能量,如果带隙是决定性的因素,它们是首选。

总的来说,在考虑电子迁移率时,氧化亚铜似乎比其他两种处于不利地位,这意味着电子在硅和氮化镓中移动得更快。尽管有这个挫折,随着进一步的研究,氧化亚铜可能有潜力,这取决于它的应用。

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