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台州学院李志刚教授、特拉华大学魏秉庆教授《Adv. Mater.》：基于Ag/Al球壳阵列的近零开启电压双金属P-N结二极管

时间：2023-02-08 来源：浏览：

台州学院李志刚教授、特拉华大学魏秉庆教授《Adv. Mater.》：基于Ag/Al球壳阵列的近零开启电压双金属P-N结二极管

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#金属p-n结 2 个

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半导体器件如芯片和功放电路等，是我们生活中最常见的耗能器件之一。然而，随着半导体器件（尤其是芯片）性能的提升，功耗问题日益严重，如何解决功耗问题，成为目前制约半导体芯片性能提升的关键瓶颈之一。

与传统半导体相比，金属电阻率通常远低于半导体，因而，相同电流下金属功能器件的功耗远低于半导体器件的功耗。但是，由于金属中自由电子数量太多，相比之下，空穴数量太少，完全可以忽略不计，而处于无 “ 空穴 ” 状态，因此很难制备出完全基于金属的功能器件，如 p-n 结二极管、晶体管和芯片等。近年来，台州学院李志刚教授团队和美国特拉华大学魏秉庆教授紧密合作，首次发现双金属纳米球壳阵列呈现半导体输运行为，当双金属纳米阵列等离子共振产生的热电子空穴对主导电输运时，该金属结构出现半导体特性，其室温下电阻率比传统半导体材料低 3-10 个数量级，该成果发表于《 Appl. Phys. Rev. 9, 021412, 2022. DOI ： 10.1063/5.0087808 》。

基于前期的研究基础，该团队再接再厉，成功构建了纯金属纳米阵列的 P-N 结二极管，并于近期在《 Advanced Materials 》发表题为 “ Near Zero-threshold Voltage P-N Junction Diodes Based on Super-semiconducting Nanostructured Ag/Al Arrays ” 的文章 (DOI: 10.1002/adma.202210612) ，通过胶体晶体模板刻蚀，利用磁控溅射构筑了 Ag/Al 双金属球壳结构，其中 Ag 为等离子共振层， Al 为电子输运层。为了防止球壳阵列和硅衬底之间形成肖特基接触，特意在衬底上沉积一层 Ag 薄膜。与传统半导体 p-n 结相比，基于金属等离子共振的 p-n 结有两大优势： 1 ）超低功耗 。在 Ag/Al 双金属 p-n 结中可以实现近零开启电压，从而实现超低功耗的 p-n 结二极管，如工作电压为 1 V 时， Ag/Al 阵列功耗约为 3 瓦 / 万亿个二极管；当工作电压为 0.1 V 时，功耗约为 30 毫瓦 / 万亿个二极管。与现有 Intel 单一功能器件相比，功耗降低 3 个数量级。 2 ）高的击穿场 。基于等离子共振光吸收产生的内建电场，可以使 p-n 结二极管的击穿场高达 , 与 SiC 和 GaN 同一个数量级。

图 1 ， A ） Ag/Al 双金属球壳结构 p-n 结示意图， B ）样品结构 SEM 图片，插图为截面图。

图 2 ，室温时 Ag/Al 球壳阵列 I-V 曲线， Ag 膜厚度为 20 nm 。 A) 样品 6 V 时的 I-V 曲线 , 插图为局部放大图； B) 不同偏压下的 I-V 曲线； C) 温度相关的 I-V 曲线。

图 3 ，不同 Ag 膜厚度时， Ag/Al 的 I-V 曲线。 A ） 7 nm ， B) 40 nm ， C) 不同 Ag 膜厚度下的整流比，红色直虚线表示整流比近似与 Ag 膜厚度呈反比。

图 4 ，金属 p-n 结内在机理。 A) Ag 球壳 +Ag 膜样品，不同温度下的霍尔曲线。 B) Ag/Al 和 Al arrays 的光吸收数据。其中计算拟合数据采用 FDTD 方法。 C) Ag/Al 球壳结构内建电场示意图，此处 In 膜为电极， PS 为聚苯乙烯胶体球模板。 D) Ag 膜薄、厚两种情况下，金属 Ag/Al 球壳结构阵列 p-n 结示意图，其中 P 和 N 分别代表 p 型和 n 型金属， t 为 Ag 薄膜厚度。 E) 电流流经 Ag/Al 结构示意图，其中 I ₁ 为经过 p-n 结部分电流， I ₂ 为不经过 p-n 结部分电流。 F) p-n 结二极管的等效电路， R _s 为 Ag 膜的串联电阻， Ra 为 Ag/Al 阵列中的并联电阻。

半导体 p-n 结是许多半导体器件的主要组成部分，如晶体管、集成电路、芯片、太阳能电池和光电探测器等。纯金属半导体 p-n 结的制备，尤其是其超低的开启电压和高的击穿场，为超低功耗半导体器件的合成，提供了一种新思路。

原文链接

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202210612

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