电子展快报:完美地“焊接”半导体

2021年1月8日

大家都很熟悉金属导线的结合只需要将他们简单的形成物理上的接触即可,这是由于金属之间接触由于量子隧穿效应导致了欧姆性质的接触。正是由于这样,我们在进行金属结合的时候,可以通过在连接处引入熔点较低的其他金属作为焊接物,从而在力学上和电学上实现两者的连接。而这种方式并不适合于半导体,不同的半导体之间由于费米能级的差异以及价带导带边的差异,在界面形成肖特基势垒,使得电流电压的关系不再是线性的。那么,如何实现半导体间的焊接技术呢?下面让我们一起来看看芝加哥大学的Talapin教授及其团队是如何实现的。

如果将这样的前驱液旋涂在已有的半导体中,将可以提高薄膜的迁移率,实现半导体焊接。但是对于Cd-,Pb-,Bi-的硫族化合物半导体材料,上述方法并未成功。

本文通过改进上述反应,制备出Cd、Pb、Bi的硫族半导体材料的“焊接物”。这些焊接物能够提高晶体表面的连接和纳米/介观颗粒的衔接,从而可应用于获得载流子迁移率高的半导体薄膜以及形态多样的三维材料。

“焊接物”制备方法及产物的性质

(1)通过CdTe+Te+2AH→A2CdTe2+gaseous products(A=Na,K,Cs)反应获得A2CdTe2。K2CdTe·2N2H4的结构如图1所示,其中[CdTe₄]四面体通过旋转一定的角度实现共用某一条边,从而形成分子链[CdTe₂²‾]∞。

(2)晶格中[CdTe₂²‾]∞链是被N2H4隔开的,它使得A2CdTe2可以通过A⁺的替换获得多变的可溶性。

(3)[CdTe₂²‾]∞链在极性不同的溶剂里构型会发生改变。下图为在强极性的N2H4溶剂和弱极性的CH3CN溶剂里[CdTe₂²‾]的构型转变

(4)A2CdTe2和CdCl2在N2H₄中可以生成白色无定形的CdTe凝胶和NaCl。CdTe凝胶和NaCl可以通过离心分离,再将胶体在甲基甲酰胺(NMF)或N2H4中重新扩散,形成稳定凝胶。这些凝胶中含有通过Cd²⁺连接的 [CdTe₂] ²‾聚合离子,故可以作为焊接物。在250°C加热下,CdTe凝胶转变为CdTe晶体。

(5)[CdTe₂²‾]聚合离子可以用作发光CdTe量子点的配位体,PL谱显示[CdTe₂²‾]∞没有在CdTe界面处引入快的复合中心。

纳米晶粒中加入“焊接物”

实验采用Na₂Cd₂Se₃替换磷酸正十八酯(ODPA)作为CdSe的焊接物。开始,通过红外吸收光谱确认ODPA配位体已全部被[Cd₂Se₃²‾]替换;其次,观察到CdSe/Na₂Cd₂Se₃的光吸收谱的第一吸收峰有略微的红移,可能是因为配位体[Cd₂Se₃] ²‾与CdSe成分匹配,导致CdSe电子波函数扩展到配位体外层所致。

将加有[Cd₂Se₃] ²‾的CdSe纳米颗粒溶液旋涂在重掺杂的Si衬底上,再生长一层10nm左右的ZrOx栅极绝缘层,然后在氮气环境下用不同温度进行退火30min,然后在一个标准的场效应晶体管中测量载流子的迁移率。实验发现,在较低的250°C下退火,测得μ达到5250px²/v·s,超过已报道的采用溶剂法制备的半导体材料的迁移率。在300°C下退火的获得CdSe薄膜μ为7500px²/v·s。在对比实验中,纯的CdSe纳米颗粒、Na₂Cd₂Se₃或者(N₂H₅)₂Cd₂Se₃只有小于100px²/v·s的迁移率。

 

来源:Science