二氧化碲（TeO2）可為p型半導體？

一、【導讀】

p型透明氧化物半導體在半導體行業中的重要性不言而喻。近年來，以絕緣性為人所知的TeO₂在多篇論文中被當作p型半導體報道，引起了極大的關注，也造成了極大的困惑。例如，墨爾本大學Zavabeti等人將二維b-TeO₂報道為高遷移率p型透明半導體 [Nat. Electron. 4 277 (2021)]。然而，其報道的費米能級位于價帶頂之上0.9 eV處。根據《半導體物理》基本知識，該費米能級位置意味著零空穴濃度和絕緣特性，與其報道的高空穴濃度相互矛盾。此外，其樣品中殘留著Se，TeO₂本身也極易還原為Te，而Se單質、Te單質及其合金本身就是高遷移率p型半導體。因此，Zavabeti等人在二維b-TeO₂樣品中觀察到的p型半導體行為是源于TeO₂自身還是源于其他雜相，成了領域內亟需澄清的科學問題。

二、【成果掠影】

最近，華中科技大學肖澤文教授聯合寧波東方理工大學（暫名）魏蘇淮教授、邱晨博士和東京科學大學（原名：東京工業大學）細野秀雄（Hideo?Hosono）教授，對TeO₂可否成為p型半導體這一科學問題進行了研究。他們發現，Te?5s軌道能級非常深，不能有效地與O?2p軌道雜化。因此，TeO₂不論以何種形式（α相、β相、g相或二維納米層）存在，其價帶頂都較深，超出了p型摻雜極限。對TeO₂中的缺陷計算表明，不論生長條件如何，平衡費米能級始終位于帶隙中間區域，表現出恒定的絕緣特性。即使通過外摻雜，也無法使TeO₂成為p型半導體。因此，Zavabeti等人在二維b-TeO₂樣品中觀察到的p型半導體行為不是TeO₂的內稟性質，而極可能源于其他雜相。

三、【核心創新點】

基于摻雜極限法則，并利用第一性原理計算，澄清了TeO₂固有的絕緣特性和p型摻雜的不可能性。由于Te?5s軌道能級較深，不能有效地與O?2p軌道雜化，因此TeO₂的價帶頂又深又局域，無異于通常的氧化物。

四、【數據概覽】

??

圖1 ?TeO₂多形體的晶體結構和能帶結構。注意，對于我們熟知的TeO₂多形體（α相、β相和g相），Te?5s軌道太深，幾乎不與O?2p軌道雜化，從而貢獻價帶頂。

圖2 ?TeO₂多形體和相關氧化物的能帶排列。根據經驗性的摻雜極限法則，當導帶底低于-4 eV時，容易摻成n型；當價帶頂高于-6 eV時，容易摻成p型。TeO₂多形體的導帶底高于-4 eV，價帶頂低于-6 eV，意味著其n型摻雜和p型摻雜都很困難，表現出絕緣的電學特性。

圖3 ?β-TeO₂塊體（a）和單層（b）中本征缺陷的轉變能級。不論是塊體還是單層，所有本征缺陷的轉變能級都在帶隙中，缺乏淺施主和淺受主，難以產生有效的n型和p型摻雜。

圖4??β-TeO₂塊體（a,b）和單層（c,d）中本征缺陷在富Te（a,c）和富O（b，d）條件下的形成能。不論化學條件和生長溫度如何，平衡費米能級位于帶隙中間區域，無法產生可觀的載流子濃度，表現出絕緣特性。

五、【成果啟示】

Zavabeti等人的工作在Nat. Electron. 4 277 (2021)?發表三年有余，盡管后續工作多有與其矛盾之處，但竟無人質疑其結論的正確性。肖澤文等人批判性地看待了TeO₂可否成為p型半導體這一科學問題，揭示了TeO₂的本征絕緣性以及p型摻雜的困難性（摻雜難，難于上青天），維護了已有的摻雜理論和化學趨勢。更重要的是，否定了TeO₂作為p型透明半導體的潛力，使科研人員更好地認識TeO₂，避免不必要的科研投入。

常言道，“為學患無疑，疑則有進。”科研人員不需要迷信“權威專家”和“權威期刊”，應該時常批判性地閱讀文獻，在科研中工作要“大膽假設”，更要“小心求證”。

原文詳情：

Chin. Phys. Lett. 42, 016103 (2025)

DOI：10.1088/0256-307X/42/1/016103

https://cpl.iphy.ac.cn/en/article/doi/10.1088/0256-307X/42/1/016103

https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0256-307X/42/1/016103

本文由肖澤文供稿