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2020-05-14高導電的半導體誕生
461 期
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編輯部
【本刊訊】日本東京大學化學學院研究團隊近日發現，以輕度摻雜鉭（Ta）的二氧化錫（SnO2）製成的半導體，不僅導電性增加，透明度（transparency）也有所提升，相關應用如太陽能板、觸控螢幕與發光二極體等的效能可望再進化。研究發表於近日《科學進展》（Scientific Reports）期刊。
無論場效電晶體（field-effect transistors）、氣體感測器（gas sensors）還是透明電極（transparent electrodes），多以一種透明氧化物半導體──SnO2作為材料。室溫下，塊狀的SnO2單晶電洞遷移率可達70~260平方公分／伏特－秒 （cm2／Vs），然而在與外延基材（substrate）結合的薄膜裡，SnO2的電洞遷移率〔註一〕會小於100cm2／Vs，使得SnO2的應用被限制在大塊的晶體型態下。
說到SnO2的外延基材，多為氧化鋁（Al2O3）結晶的剛玉（corundum）以及主成份為二氧化鈦（TiO2）的金紅石（rutile）。可惜，前者的熱與化學性雖相當穩定Al2O3，但晶體結構與SnO2相異；而後者雖有與SnO2相同的金紅石結構，卻仍無法與SnO2的晶格相匹配。
另一個影響裝置表現的因素，就是載子密度（carrier density）；載子密度越高，電洞的遷移率也就越大。有些半導體材料為求與金屬相仿的導電性，會過度摻雜其它物質提高載子密度，然而此舉卻導致材料對光的透明度不足，同樣也會降低裝置效能。
魚與熊掌不可兼得，要找到導電性與透明度共存的材料並不容易。為此，東京大學團隊針對以TiO2為外延基材、輕度摻雜鉭的二氧化錫 （Sn1xTaxO2, TTO）膜進行電子傳輸性質的研究。結果發現，TTO膜中摻雜的鉭會使載子密度上升，進而將電洞遷移率提高至130cm2／Vs，這是SnO2截至目前為止最高的電洞遷移率。
此外，該篇研究人員中尾翔一（Shoichiro Nakao）在接受科學新聞網SciTech Daily訪問時表示，改進後的薄膜不僅遷移率提升，透明度也較高。如此一來，可見光與近紅外光（near-infrared light）便能穿過裝置，對許多裝置應用助益良多，如光伏太陽能板的功率轉換效率（power conversion efficiency）與觸控螢幕的準確性及響應速度等。
而該研發成功的關鍵，便是薄膜的製作過程。中尾翔一解釋，團隊使用高聚焦雷射將SnO2顆粒蒸發，並依照他們所想要的方式沉積在外延的材料上，這個做法也讓團隊得以在不同的材料條件下進行研究。
〔註一〕半導體內電子和電洞的運動快慢程度，被稱作載子遷移率（carrier mobility），該數值將影響裝置的品質與表現。
新聞來源 Michitaka Fukumoto et al., High mobility approaching the intrinsic limit in Ta-doped SnO2 films epitaxially grown on TiO2 (001) substrates, Scientific Reports, 2020.