Chem. Rev.综述：宽禁带硫族化合物半导体

兔兔

2020-04-07

宽禁带半导体由于其高的光学透明性、可控制的载流子浓度和可调的导电性，在当今的电子器件和能源应用中是必不可少的。研究最广泛的宽禁带半导体是透明导电氧化物（TCO），如掺杂锡的氧化铟（ITO）、非晶In-Ga-Zn-O（IGZO）、碳化物（如SiC）、氮化物（如GaN）以及新兴卤化物（如γ-CuI）和2D电子材料（如石墨烯）。与这些材料系列相比，基于硫族化合物（Ch=S、Se、Te）的宽禁带半导体的研究较少，但由于它们倾向于p型掺杂，具有高迁移率、高价带位置（即，低电离势），其在CdTe太阳能电池等电子设备中得到广泛应用。有鉴于此，美国国家可再生能源实验室Andriy Zakutayev等人对宽禁带硫族化合物半导体进行了全面的综述。

本文要点：

1）首先，研究人员概述了高性能透明半导体的一般材料设计参数，以及相应研究方法的理论和实验基础。进而总结了宽禁带（如>2 eV）硫族化合物材料的研究进展，即II–VI MCh二元、CuMCh₂黄铜矿、Cu₃MCh₄硫钒铜矿、混合阴离子层状CuMCh(O、F)和2D材料，并讨论了该系列化合物中潜在新兴候选者的计算预测，强调了它们的光学和电学特性。掺杂物的缺陷计算和相应的实验探索对于理解其物理性质和潜在的光电应用至关重要。

2）通过对n型和p型材料（涉及几十种宽禁带p型硫族化合物）的讨论，演示了计算方法如何使未来的发现成为可能，提出了计算发现新型硫族化物透明p型（半）导体的前瞻性指南：（1）进一步研究数据库中以前合成材料的性能，（2）采取氧化物或其他类似物的结构（例如硫族化物铜铁矿或钙钛矿）来寻找新材料，或（3）提出新的化学计量和化学方法（如Cs₂Zn₃Se₄）。

3）最后，回顾了将宽禁带硫族化物用作有源或无源层的应用，例如光伏和光电化学太阳能电池、晶体管和发光二极管。同时还综述了提升已知硫族化合物性能的巧妙工程，包括新的加工技术、非平衡合成方法、后处理等，以促进载体运输和硫族化合物在宿主材料中的高掺杂。

本综述通过对宽禁带硫族化合物的研究、分类和未来发展方向的讨论，旨在激发对这一新兴透明半导体类别的持续研究，从而使未来的光电器件创新成为可能。

Rachel Woods-Robinson, et al. Wide Band Gap Chalcogenide Semiconductors. Chem. Rev. 2020.

DOI: 10.1021/acs.chemrev.9b00600.

https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.9b00600