[论文解读] 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 4

一句话总结

本综述综合了当前关于宽带隙硫属化物半导体的知识，重点阐述其在透明导体和光电器件中的作用。综述概述了材料设计原理，回顾了主要类别如II-VI族二元化合物、铜锌矿结构和二维材料，并强调了计算预测及在太阳能电池、晶体管和二极管中的应用，旨在为透明电子领域的未来创新提供指导。

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.

研究动机与目标

• 识别并系统化高性能宽带隙硫属化物透明导体的设计原则。
• 回顾主要硫属化物家族（包括II-VI族二元化合物、铜锌矿结构、黝锡矿结构和二维材料）的研究进展与材料性能。
• 探讨计算预测在识别硫属化物家族中新型候选材料方面的作用。
• 评估宽带隙硫属化物在光伏、光电化学及透明电子器件中的应用。
• 通过展望硫属化物基透明导体和光电子材料的有前途的研究方向，激发未来研究。

提出的方法

• 基于晶体结构和成分对宽带隙硫属化物半导体进行系统分类，包括II-VI族二元化合物、CuMCh2型铜锌矿结构、Cu3MCh4型黝锡矿结构以及混合阴离子层状材料。
• 分析实验与理论数据，涵盖光学与电学性能，如带隙、载流子迁移率和电离势。
• 利用计算方法预测具有优异电子与光学特性的新型硫属化物候选材料。
• 评估材料性能指标，包括透明度、电导率以及p型掺杂效率。
• 整合各类材料的研究成果，识别能带对齐、缺陷容忍度及器件兼容性方面的趋势。
• 回顾器件层面的应用，重点关注硫属化物在太阳能电池、晶体管和二极管中作为活性层或被动层的功能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 哪些关键材料设计参数能够实现宽带隙硫属化物中高性能透明导体？
• RQ2 II-VI族二元硫属化物的电子与光学性能与铜锌矿结构和黝锡矿结构相比如何？
• RQ3 计算建模在预测具有理想光电性能的新型宽带隙硫属化物材料方面能达到何种程度的预测能力？
• RQ4 在硫属化物半导体中，实现p型掺杂和高孔迁移率的主要机制是什么？
• RQ5 在哪些光电器件中，宽带隙硫属化物作为活性层或透明导电层展现出最具前景的性能表现？

主要发现

• 宽带隙硫属化物具有高光学透明度和可调控的电导率，适用于透明导电应用。
• II-VI族二元硫属化物、铜锌矿结构（如CuInSe2）以及黝锡矿结构（如Cu3BiS3）表现出有利的能带对齐和较高的价带位置，有利于p型行为。
• 如CdTe等硫属化物材料已在商业光伏器件中成功应用，表现出太阳能电池中的高效率。
• 计算研究预测了具有超过2 eV带隙及优异载流子输运性能的新硫属化物候选材料。
• 层状材料如CuMCh(O,F)和二维硫属化物因其可调的能带结构，在柔性与透明电子器件中展现出应用前景。
• 基于硫属化物的透明晶体管和二极管已展现出与氧化物基器件相当的性能，且具有更低的工艺温度和更高的稳定性潜力。