[논문 리뷰] Review of wide band gap chalcogenide semiconductors

Rachel Woods‐Robinson, Yanbing Han외 5명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 17.

Chalcogenide Semiconductor Thin Films인용 수 4

한 줄 요약

이 리뷰는 넓은 금속 띠역치 셀레늄화물 반도체에 대한 현재 지식을 종합적으로 다루며, 투명 도체 및 옵티오일렉트로닉스 재료로서의 역할을 강조한다. 설계 원칙을 개략적으로 제시하고, II-VI 이황화물, 채플레피라이트, 2D 재료와 같은 주요 계열을 검토하며, 태양전지, 트랜지스터, 다이오드 등 응용 분야에서의 계산 예측 및 응용을 강조하여 투명 전자소자의 미래 혁신을 이끌어내는 데 목적이 있다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고성능 넓은 금속 띠역치 셀레늄화물 투명 도체를 위한 설계 원칙을 규명하고 체계화하기 위해.
• II-VI 이황화물, 채플레피라이트, 숄바나이트, 2D 재료를 포함한 주요 셀레늄화물 계열의 진전과 특성을 검토하기 위해.
• 셀레늄화물 계열 내 새로운 후보 재료를 식별하는 데 있어 계산 예측의 역할을 분석하기 위해.
• 넓은 금속 띠역치 셀레늄화물 반도체의 태양전지, 광전해질, 투명 전자소자 응용을 평가하기 위해.
• 셀레늄화물 기반 투명 도체 및 옵티오일렉트로닉스 재료 분야에서의 유망한 연구 방향을 제시하여 향후 연구를 자극하기 위해.

제안 방법

• 결정 구조와 조성에 기반한 넓은 금속 띠역치 셀레늄화물 반도체의 체계적 분류를 통해 II-VI 이황화물, 구리-메탈-황화물(II-VI) 채플레피라이트, 구리-메탈-황화물(III-VI) 숄바나이트, 혼합 이온 레이어 재료를 포함한다.
• 광학적 및 전기적 특성에 관한 실험 및 이론적 데이터 분석, 예를 들어 금속 띠역치, 캐리어 이동도, 이온화 잠재력 등을 포함한다.
• 유리한 전자적 및 광학적 특성을 지닌 새로운 셀레늄화물 후보 재료를 예측하기 위해 계산 방법을 활용한다.
• 투명도, 전기적 도전성, p형 doping 효율성 등의 재료 성능 지표 평가.
• 재료 계열 간의 통합적 분석을 통해 밴드 정렬, 결함 내성, 장치 호환성 등의 추세를 규명한다.
• 장치 수준의 응용 검토를 통해 태양전지, 트랜지스터, 다이오드에서 셀레늄화물이 활성층 또는 수동층으로 어떻게 기능하는지에 중점을 둔다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고성능 투명 도체를 실현하는 데 기여하는 넓은 금속 띠역치 셀레늄화물의 핵심 재료 설계 매개변수는 무엇인가?
• RQ2 II-VI 이황화물 반도체의 전자적 및 광학적 특성은 채플레피라이트 및 숄바나이트와 비교해 어떻게 다를까?
• RQ3 계산 모델링을 통해 넓은 금속 띠역치 셀레늄화물에서 유망한 옵티오일렉트로닉스 특성을 지닌 새로운 재료를 얼마나 정확히 예측할 수 있는가?
• RQ4 셀레늄화물 반도체에서 p형 도핑과 높은 정공 이동도를 가능하게 하는 주요 메커니즘은 무엇인가?
• RQ5 어떤 옵티오일렉트로닉스 장치에서 넓은 금속 띠역치 셀레늄화물이 활성층 또는 투명 도전층으로서 가장 뛰어난 성능을 보여주는가?

주요 결과

• 넓은 금속 띠역치 셀레늄화물 반도체는 높은 광학적 투과도와 제어 가능한 전기적 도전성을 지녀, 투명 도전 응용에 적합하다.
• II-VI 이황화물, 채플레피라이트(예: CuInSe2), 숄바나이트(예: Cu3BiS3)는 p형 거동에 유리한 밴드 정렬과 높은 가val런스 밴드 위치를 나타낸다.
• CdTe와 같은 셀레늄화물 재료는 상용 태양전지 장치에서 이미 성공적으로 사용되어 고효율 태양전지 성능을 보였다.
• 계산 연구는 2 eV 이상의 금속 띠역치를 지닌 새로운 셀레늄화물 후보 재료를 예측하고 있으며, 유리한 캐리어 이동 특성을 지닌다.
• CuMCh(O,F) 및 2D 셀레늄화물과 같은 레이어 구조 재료는 조절 가능한 밴드 구조 덕분에 도시성 및 투명 전자소자에 유망한 가능성을 보인다.
• 셀레늄화물 기반 투명 트랜지스터 및 다이오드는 산화물 기반 장치와 비교해 유사한 성능을 보였으며, 낮은 가공 온도와 향상된 안정성의 잠재력을 지닌다.