[論文レビュー] Review of wide band gap chalcogenide semiconductors

Rachel Woods‐Robinson, Yanbing Han+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 17, 2019

Chalcogenide Semiconductor Thin Films被引用数 4

ひとこと要約

本レビューは、広帯域ギャップ chalcogenide 半導体に関する現在の知識を統合し、透明導体およびオプトエレクトロニクス材料としてのその役割に焦点を当てる。設計原則の概説、II-VI系バイナリー、カロキシライト系、2次元材料といった主要なクラスのレビュー、および太陽電池、トランジスタ、ダイオードにおける計算予測と応用の強調を通じて、透明エレクトロニクス分野における今後のイノベーションを導くことを目的としている。

ABSTRACT

Wide band gap semiconductors are essential for today's electronic devices and energy applications due to their high optical transparency, as well as controllable carrier concentration and electrical conductivity. There are many categories of materials that can be defined as wide band gap semiconductors. The most intensively investigated are transparent conductive oxides (TCOs) such as ITO and IGZO used in displays, carbides and nitrides used in power electronics, as well as emerging halides (e.g. CuI) and 2D electronic materials used in various optoelectronic devices. Chalcogen-based (S, Se, Te) wide band gap semiconductors are less heavily investigated but stand out due to their propensity for p-type doping, high mobilities, high valence band positions (i.e. low ionization potentials), and broad applications in electronic devices such as CdTe solar cells. This manuscript provides a review of wide band gap chalcogenide semiconductors. First, we outline general materials design parameters of high performing transparent conductors. We proceed to summarize progress in wide band gap (Eg > 2 eV) chalcogenide materials, such as II-VI MCh binaries, CuMCh2 chalcopyrites, Cu3MCh4 sulvanites, mixed anion layered CuMCh(O,F), and 2D materials, among others, and discuss computational predictions of potential new candidates in this family, highlighting their optical and electrical properties. We finally review applications of chalcogenide wide band gap semiconductors, e.g. photovoltaic and photoelectrochemical solar cells, transparent transistors, and diodes, that employ wide band gap chalcogenides as either an active or passive layer. By examining, categorizing, and discussing prospective directions in wide band gap chalcogenides, this review aims to inspire continued research on this emerging class of transparent conductors and to enable future innovations for optoelectronic devices.

研究の動機と目的

• 高性能広帯域ギャップ chalcogenide 透明導体の設計原則を特定・体系化すること。
• II-VIバイナリー、カロキシライト系、スルファナイト系、2次元材料を含む主な chalcogenide 家族の進展状況と特性をレビューすること。
• 計算予測が chalcogenide 家族内での新規候補材料の同定に果たす役割を検討すること。
• 広帯域ギャップ chalcogenide の太陽電池、光電化学的デバイス、透明エレクトロニクスデバイスへの応用を評価すること。
• chalcogenide を基盤とする透明導体およびオプトエレクトロニクス材料分野における有望な今後の研究方向性を提示することで、今後の研究を奨励すること。

提案手法

• 結晶構造および組成に基づく広帯域ギャップ chalcogenide 半導体の体系的分類、II-VIバイナリー、CuMCh2 カロキシライト系、Cu3MCh4 スルファナイト系、および混合陰イオン層状材料を含む。
• 光学的および電気的特性に関する実験的および理論的データの分析、例えばバンドギャップ、キャリア移動度、イオン化エネルギーなど。
• 新しい chalcogenide 候補材料の電子的および光学的特性が良好であると予測するための計算手法の使用。
• 透明度、電気的導電性、p型ドーピング効率といった材料の性能指標の評価。
• 材料クラス間の統合的分析を通じて、バンドアライメント、欠际耐性、デバイス適合性に関するトレンドの同定。
• デバイスレベルの応用のレビュー、太陽電池、トランジスタ、ダイオードにおける chalcogenide が活性層または被動層として果たす役割に焦点を当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 広帯域ギャップ chalcogenide において、高性能透明導体を実現するための主な材料設計パrameter は何か？
• RQ2 II-VIバイナリー chalcogenide の電子的および光学的特性は、カロキシライト系やスルファナイト系と比べてどのように異なるか？
• RQ3 計算モデリングは、望ましいオプトエレクトロニクス特性を有する新しい広帯域ギャップ chalcogenide 材料をどの程度正確に予測できるか？
• RQ4 chalcogenide 半導体における p型ドーピングおよび高いホール移動度を実現する主なメカニズムは何か？
• RQ5 どのオプトエレクトロニクスデバイスにおいて、広帯域ギャップ chalcogenide が活性層または透明導電層として最も有望な性能を示すか？

主な発見

• 広帯域ギャップ chalcogenide 半導体は高い光学的透明性と制御可能な電気的導電性を示し、透明導体応用に適している。
• II-VIバイナリー chalcogenide、カロキシライト系（例：CuInSe2）、スルファナイト系（例：Cu3BiS3）は、p型動作に適した良好なバンドアライメントと高い価電子帯位置を示す。
• CdTe などの chalcogenide 材料は、商業的太陽電池デバイスですでに成功裏に使用されており、太陽電池における高い効率性を示している。
• 計算研究により、2 eV を超えるバンドギャップと良好なキャリア輸送特性を有する新しい chalcogenide 候補材料が予測されている。
• CuMCh(O,F) や 2次元 chalcogenide などの層状材料は、そのチューナブルなバンド構造のおかげで、柔軟性と透明性に優れたエレクトロニクスへの応用が有望である。
• chalcogenide を用いた透明トランジスタおよびダイオードは、酸化物ベースのデバイスと同等の性能を示しており、低処理温度と高い安定性の可能性を有している。