2天上线3篇Science/Nature，半导体霸主王者归来！

纳米人

2020-04-21

前面我们讲到，作为信息材料的霸主，半导体硅在电学性质、储量、成本、可加工性等方面占足了优势。同样，硅也在锂离子电池、太阳能电池、含硅化工品制备等领域具有广泛用途。然而，发展到今天，硅无论是在信息还是能源领域均遇到了基础的瓶颈问题，限制了硅基器件性能的进一步提升。

最近Science/Nature在2天内刊登了3篇有关半导体硅基光电器件的研究论文，其中两篇论文的关键为硅（基）材料的设计/改性，另一篇则报道了阴离子工程提高串联太阳能电池的效率。

1. Science：棘轮效应助力二极管高频整流！

传统二极管通过两不同半导体形成的结从而实现整流，具有肖特基势垒的金属-半导体二极管就是一个典例。在这类器件中，电容阻碍了工作频率的进一步提升。

棘轮效应是指事物的变化具有不可逆性，即易于向某一方向调整，而难于向相反方向调整。例如，消费者易于随收入的提高增加消费，但不易于因收入降低而减少消费。实际上，棘轮效应在自然界和人类的生产生活中是真实可见的，比如生物学里的马达蛋白和人们使用的棘轮套筒扳手。利用棘轮效应的原理，人们可将波动且无择优方向的某一变化转化为同向的变化，达到“力往一个方向使”的效果。

有鉴于此，北卡罗来纳大学教堂山分校James F. Cahoon等人报道了一种完全由锯齿形硅纳米线构成的二极管，实现了室温下高频整流。

本文要点：

1）作者将半导体硅纳米线调控为圆柱锯齿状，使其中心对称性破坏，具有非对称结构。

2）在两端器件测试中，这种特殊的棘轮结构二极管能实现整流功能，原因在于准弹道电子在纳米线表面的镜面反射。由于棘轮效应，室温下的二极管能在高达40 GHz的频率下进行整流。

作者认为，本文报道的锯齿形纳米线二极管有望用于高速数据处理和长波能量捕捉。

图1. 示意图：（a）准弹道电子的棘轮效应；（b）肖特基二极管能带图；（c）锯齿几何状二极管

图2. 锯齿状Si纳米线的设计 

参考文献：

James P. Custer Jr. et al. Ratcheting quasi-ballistic electrons in silicon geometric diodes at room temperature. Science, 2020.

DOI: 10.1126/science.aay8663

https://science.sciencemag.org/content/368/6487/177 

2. Science：26.7％效率！阴离子工程助力高效稳定钙钛矿-硅串联电池

钙钛矿硅串联太阳能电池的效率受到了宽带隙的钙钛矿顶部电池的限制。最近，NREL的Kai Zhu，Dong Hoe Kim，首尔大学的Jin Young Kim，以及韩国科学技术院Byungha Shin等人开发了一种高性能，稳定的钙钛矿-硅串联太阳能电池。

工作要点：

1）钙钛矿的带隙约为1.7eV。对应的电池获得了20.7%效率。在连续照明1000小时后，对应的电池可保留其初始PCE的80％以上。系统地研究了阴离子工程和苯乙铵（PEA）的2D钝化层的电特性和电学特性。

2）作为叠层电池的顶部电池，制备的单片钙钛矿-硅串联太阳能电池获得26.7％的效率，具有优异的稳定性。

参考文献：

Efficient, stable silicon tandem cells enabled by anion engineered wide-bandgap perovskites, Science, 2020

DOI: 10.1126/science.aba3433

https://science.sciencemag.org/content/early/2020/03/25/science.aba3433

3. Nature：半世纪逐梦，半导体硅终将迎来光学革命？

硅作为电子学领域的杰出材料，其优秀的电学特性、高丰度、低成本及出色的可加工性等优势促成了硅技术革命的爆发。然而，硅因其立方晶格结构而导致光吸收和发射效率低下，使其无法在诸多光子学应用中大显身手。近日，Nature杂志报告了一种具有优异光电性能的硅锗合金的开发，可以帮助开发与当前硅电子设备兼容的光子学技术。

具体来说，埃因霍芬理工大学Elham M. T. Fadaly和Erik P. A. M.Bakkers等人首次开发了一种具有优异光学性能的六方晶格锗和硅锗合金直接带隙半导体纳米线。这种半导体纳米线材料具有优越的光吸收和发射性能，有望推动第一台半导体硅激光器的问世，并昭示着半导体硅光学革命到来！

本文要点：

1）研究人员另辟蹊径，交替使用锗和硅锗合金中的原子堆叠方式，使材料的晶格结构从立方晶格转变为六方晶格。六方晶格的晶胞包含的原子数是立方晶胞的两倍，晶格的改变使其布里渊区面积减半，材料的电子能带在动量空间中折叠，导致导带能量最小的位置移至布里渊区中心，从而产生直接带隙。作者使用量子力学计算确定六方晶体结构中锗和硅锗合金的精确能带结构，从而确认这些材料具有直接带隙。

2）作者证明了六方晶格的锗具有光电级直接带隙半导体的作用。此外，他们发现通过将六方晶格的锗与不同量的硅进行合金化，通过控制这种六方晶格硅锗合金的成分，能够在保持直接带隙的同时在很宽的范围内连续调节发射波长。

3）本研究中纳米线的直径在几纳米到几百纳米之间，主要起到两个作用：纳米线的高比表面积确保亚稳态晶相的形成；能够使光以最适合光子学应用的方式与纳米线材料相互作用。

图1. GaAs/Ge核壳纳米线概述

 图2. 立方晶格的硅及六方晶格的硅锗合金

 图3. 直接带隙硅锗合金的可调性

参考文献：

1. Elham M. T. Fadaly et al. Direct-bandgap emission from hexagonal Ge and SiGe alloys. Nature 2020, 580, 205–209.

https://doi.org/10.1038/s41586-020-2150-y

2. Nanostructured alloys light the way to silicon-based photonics. Nature 2020, 580, 188-189.

https://doi.org/10.1038/d41586-020-00976-8

3. H. Presting et al. Semicond. Sci. Technol. 1992, 7, 1127.