日本利用無毒的化學(xué)元素研發(fā)紅外半導(dǎo)體材料

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，日本國(guó)家材料研究所(NIMS)和東京工業(yè)大學(xué)聯(lián)合發(fā)現(xiàn)了一種化合物：硅酸三鈣(Ca3SiO)，這是一種直接躍遷半導(dǎo)體，未來有望成為紅外光源和紅外探測(cè)器的制備材料。這種化合物由鈣、硅和氧組成，生產(chǎn)成本低廉，并且無毒?，F(xiàn)有的許多紅外半導(dǎo)體材料含有有毒的化學(xué)元素，如鎘(Cd)、碲(Te)。Ca3SiO可用于開發(fā)成本更低、更安全的近紅外半導(dǎo)體器件。

紅外光是光纖通信、光伏發(fā)電和夜視設(shè)備等應(yīng)用的常用波段。現(xiàn)有能夠發(fā)射紅外輻射的半導(dǎo)體(即直接躍遷半導(dǎo)體)如碲鎘汞(MCT)和砷化鎵(GaAs)，含有有毒物質(zhì)。不含有毒化學(xué)元素的紅外半導(dǎo)體一般不能發(fā)射紅外輻射(即間接躍遷半導(dǎo)體)。人們希望使用能帶間隙在紅外波段范圍內(nèi)的無毒、直接躍遷半導(dǎo)體進(jìn)行高性能紅外器件開發(fā)。

通常情況下，材料的半導(dǎo)體特性，如能帶間隙，由兩種化學(xué)元素共同決定，如三五族或四六族化合物分別由三價(jià)和五價(jià)、四價(jià)和六價(jià)元素決定。在這種組合中，如果添加較重的元素，能帶間隙變得更小。基于此思路，開發(fā)出了由有毒元素組成的直接躍遷半導(dǎo)體，如碲鎘汞(MCT)和砷化鎵(GaAs)。為了發(fā)現(xiàn)不含有毒元素的紅外半導(dǎo)體，這個(gè)研究小組采取了一種非常規(guī)的方法：尋找一種晶體結(jié)構(gòu)，其中硅的行為是四價(jià)陰離子，而不是常規(guī)的四價(jià)陽離子狀態(tài)。小組最終選擇了氧硅化合物(例如Ca3SiO)和反鈣鈦礦晶體結(jié)構(gòu)的氧化鍺進(jìn)行合成，評(píng)估其物理性質(zhì)，并進(jìn)行理論計(jì)算。結(jié)果表明，這類化合物在波長(zhǎng)為1.4 μm時(shí)表現(xiàn)出大約0.9 eV的極小能帶間隙，顯示了它們成為直接躍遷半導(dǎo)體的巨大潛力。這種化合物即使加工成薄膜，也有可能有效地吸收、探測(cè)和發(fā)射長(zhǎng)波紅外光，非常有希望用于制備紅外光源(例如紅外LED)和紅外探測(cè)器的半導(dǎo)體材料。

在未來的研究中，研究人員計(jì)劃開發(fā)高強(qiáng)度紅外LED和高靈敏度紅外探測(cè)器，通過合成大單晶形式的化合物，開發(fā)薄膜生長(zhǎng)工藝，并通過摻雜控制其物理特性，取得固態(tài)解決方案。如果這些努力取得成功，目前用于現(xiàn)有近紅外半導(dǎo)體的有毒化學(xué)元素可能會(huì)被無毒的化學(xué)元素所取代。

該項(xiàng)目由日本國(guó)家材料研究所功能材料研究中心主任Naoki Ohashi和倫敦大學(xué)學(xué)院(UCL)教授Alexander Shluger組成的研究小組完成。這項(xiàng)工作得到了MEXT元素戰(zhàn)略倡議和強(qiáng)強(qiáng)合作計(jì)劃(JSPS Core-to-Core Program)的支持。