铜和银由于其高导电率是半导体器件最常用的电极和导线材料。银的导电率要比铜更好一些,但铜相对来说更便宜一些。另外在选择铜和银作为半导体器件电极材料时我们还需要考虑它们在半导体材料中的可扩散性,这是因为当它们在半导体材料中扩散会显著改变器件的性能和稳定性。同时,作为半导体材料的常用掺杂物,铜和银经常是通过离子扩散的方法对半导体材料掺杂改变它的导电性能。因此,铜和银在半导体材料中的扩散性质深刻影响着器件的性能。实验上发现,在硅和锗等共价型半导体材料中,铜要比银更加容易扩散,这导致了在硅太阳能电池中我们没法用价格较低的铜来代替银从而降低硅太阳能电池的成本。这也是为什么在硅微电子芯片中一开始没有直接采用铜互连的原因,在经过三十多年的时间解决了铜扩散的问题才实现了铜互连技术。另一方面,实验上发现在碲化镉、硫化镉及铜铟硫等离子型半导体材料中,即使银的原子尺寸要比铜的大,银却比铜更容易扩散,这导致了无法在碲化镉太阳能电池中用银代替铜来提高其性能和稳定性。铜和银在共价型和离子型半导体材料中的所表现出的不同扩散性质一直以来困扰着研究者,所涉及的机理至今还没有理解清楚。 

  近日,中国科学院半导体研究所骆军委研究员课题组的邓惠雄副研究员在研究半导体材料中铜和银的扩散机理中取得了重要进展。该课题组与北京计算科学中心的魏苏淮教授合作,成功地解释了铜和银在共价型和离子型闪锌矿半导体材料中扩散行为显著差异的物理根源,这一工作已发表于Phys. Rev. Lett. 117, 165901 (2016)该研究团队运用第一性原理计算方法,发现受对称性控制的s-d轨道耦合(也就是铜或银的d原子轨道与半导体材料的s原子轨道间的耦合)对铜和银扩散行为的差异起着关键作用。在共价型元素半导体材料中,晶体所具有的反演对称性禁止了s-d耦合的存在,这时引入铜或银产生的应变是决定它们的扩散行为主要因素。因此,在共价型元素半导体材料中原子尺寸更小的铜更容易扩散。而在非共价型闪锌矿半导体材料中,晶体对称性允许s-d耦合在一些晶格位子上的存在,而且随着离子性的增强s-d耦合强度会增大,同时,由于铜的d轨道要比银的d轨道在能量上更高,也就是更加接近半导体材料的s轨道,这导致铜引起的s-d耦合强度要显著大于银引起的s-d耦合,结合库伦相互作用和应变能,在离子型闪锌矿半导体材料中,这种强的s-d耦合导致铜要比银更难以扩散。更详细的信息可以阅读论文中的描述。这一深入理解有助于通过能带工程来调控不同半导体材料中杂质的扩散性质,也可为理解其它杂质在不同半导体中扩散行为提供指导。 

 该研究工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中组部青年千人计划的大力支持。邓惠雄是该工作的第一作者,骆军委和魏苏淮是通讯作者。

 图一、铜和银在硅和硫化镉中的扩散路径和扩散势垒。