【產(chǎn)通社，10月24日訊】中國科學院半導體研究所（Institute of Semiconductors Chinese Academy of Sciences, ISCAS）官網(wǎng)消息，其駱軍委研究員課題組的鄧惠雄副研究員近日在研究半導體材料中銅和銀的擴散機理中取得了重要進展。

銅和銀由于其高導電率是半導體器件最常用的電極和導線材料。銀的導電率要比銅更好一些，但銅相對來說更便宜一些。另外在選擇銅和銀作為半導體器件電極材料時還需要考慮它們在半導體材料中的可擴散性，這是因為當它們在半導體材料中擴散會顯著改變器件的性能和穩(wěn)定性。同時，作為半導體材料的常用摻雜物，銅和銀經(jīng)常是通過離子擴散的方法對半導體材料摻雜改變它的導電性能。因此，銅和銀在半導體材料中的擴散性質(zhì)深刻影響著器件的性能。實驗發(fā)現(xiàn)，在硅和鍺等共價型半導體材料中，銅要比銀更加容易擴散，這導致了在硅太陽能電池中我們沒法用價格較低的銅來代替銀從而降低硅太陽能電池的成本。這也是為什么在硅微電子芯片中一開始沒有直接采用銅互連的原因，在經(jīng)過30多年的時間解決了銅擴散的問題才實現(xiàn)了銅互連技術。另一方面，實驗發(fā)現(xiàn)在碲化鎘、硫化鎘及銅銦硫等離子型半導體材料中，即使銀的原子尺寸要比銅的大，銀卻比銅更容易擴散，這導致了無法在碲化鎘太陽能電池中用銀代替銅來提高其性能和穩(wěn)定性。銅和銀在共價型和離子型半導體材料中的所表現(xiàn)出的不同擴散性質(zhì)一直以來困擾著研究者，所涉及的機理至今還沒有理解清楚。 

該課題組與北京計算科學中心的魏蘇淮教授合作，成功地解釋了銅和銀在共價型和離子型閃鋅礦半導體材料中擴散行為顯著差異的物理根源，這一工作已發(fā)表于Phys. Rev. Lett. 117, 165901 (2016)。該研究團隊運用第一性原理計算方法，發(fā)現(xiàn)受對稱性控制的s-d軌道耦合（也就是銅或銀的d原子軌道與半導體材料的s原子軌道間的耦合）對銅和銀擴散行為的差異起著關鍵作用。在共價型元素半導體材料中，晶體所具有的反演對稱性禁止了s-d耦合的存在，這時引入銅或銀產(chǎn)生的應變是決定它們的擴散行為主要因素。因此，在共價型元素半導體材料中原子尺寸更小的銅更容易擴散。而在非共價型閃鋅礦半導體材料中，晶體對稱性允許s-d耦合在一些晶格位子上的存在，而且隨著離子性的增強s-d耦合強度會增大，同時，由于銅的d軌道要比銀的d軌道在能量上更高，也就是更加接近半導體材料的s軌道，這導致銅引起的s-d耦合強度要顯著大于銀引起的s-d耦合，結(jié)合庫倫相互作用和應變能，在離子型閃鋅礦半導體材料中，這種強的s-d耦合導致銅要比銀更難以擴散。這一深入理解有助于通過能帶工程來調(diào)控不同半導體材料中雜質(zhì)的擴散性質(zhì)，也可為理解其它雜質(zhì)在不同半導體中擴散行為提供指導。 

該研究工作得到了國家自然科學基金委、科技部、中組部青年千人計劃的大力支持，鄧惠雄是該工作的第一作者，駱軍委和魏蘇淮是通訊作者。查詢進一步信息，請訪問官方網(wǎng)站http://www.semi.cas.cn。    （完）