日本利用无毒的化学元素研发红外半导体材料

据麦姆斯咨询报道，日本国家材料研究所(NIMS)和东京工业大学联合发现了一种化合物：硅酸三钙(Ca3SiO)，这是一种直接跃迁半导体，未来有望成为红外光源和红外探测器的制备材料。这种化合物由钙、硅和氧组成，生产成本低廉，并且无毒。现有的许多红外半导体材料含有有毒的化学元素，如镉(Cd)、碲(Te)。Ca3SiO可用于开发成本更低、更安全的近红外半导体器件。

红外光是光纤通信、光伏发电和夜视设备等应用的常用波段。现有能够发射红外辐射的半导体(即直接跃迁半导体)如碲镉汞(MCT)和砷化镓(GaAs)，含有有毒物质。不含有毒化学元素的红外半导体一般不能发射红外辐射(即间接跃迁半导体)。人们希望使用能带间隙在红外波段范围内的无毒、直接跃迁半导体进行高性能红外器件开发。

通常情况下，材料的半导体特性，如能带间隙，由两种化学元素共同决定，如三五族或四六族化合物分别由三价和五价、四价和六价元素决定。在这种组合中，如果添加较重的元素，能带间隙变得更小。基于此思路，开发出了由有毒元素组成的直接跃迁半导体，如碲镉汞(MCT)和砷化镓(GaAs)。为了发现不含有毒元素的红外半导体，这个研究小组采取了一种非常规的方法：寻找一种晶体结构，其中硅的行为是四价阴离子，而不是常规的四价阳离子状态。小组最终选择了氧硅化合物(例如Ca3SiO)和反钙钛矿晶体结构的氧化锗进行合成，评估其物理性质，并进行理论计算。结果表明，这类化合物在波长为1.4 μm时表现出大约0.9 eV的极小能带间隙，显示了它们成为直接跃迁半导体的巨大潜力。这种化合物即使加工成薄膜，也有可能有效地吸收、探测和发射长波红外光，非常有希望用于制备红外光源(例如红外LED)和红外探测器的半导体材料。

在未来的研究中，研究人员计划开发高强度红外LED和高灵敏度红外探测器，通过合成大单晶形式的化合物，开发薄膜生长工艺，并通过掺杂控制其物理特性，取得固态解决方案。如果这些努力取得成功，目前用于现有近红外半导体的有毒化学元素可能会被无毒的化学元素所取代。

该项目由日本国家材料研究所功能材料研究中心主任Naoki Ohashi和伦敦大学学院(UCL)教授Alexander Shluger组成的研究小组完成。这项工作得到了MEXT元素战略倡议和强强合作计划(JSPS Core-to-Core Program)的支持。