抽象
基于二氧化铀（或其他致动曲线化合物）的半导体似乎可能，并且与传统的Si，Ge和GaAs材料相比，性能的显着改善。二氧化铀（UO2）的能带隙（禁用带隙）位于带隙Vs效率曲线（1）最佳的Si和GaAs之间，表明应该能够使用氧化铀制造非常有效的太阳能电池，半导体或其他电子设备。内在UO2的电导率与GaAs（1）大致相同。UO2（〜22）的介电常数几乎是Si（11.2）和GaAs（14.1）（2）的两倍，也许使UO2更适合于集成电路而不是Si，Ge和GaAs。铀（例如，U3O8或UO 2）的陶瓷氧化物可以承受高于Si或GaAs（<473 k）的更高的工作温度（〜2600k）。此外，氧化物对辐射损伤具有更大的电阻，也许制备氧化铀，更适合于制造特殊（例如，空间和军事）应用中使用的装置。因此，似乎可以提供一种新的高性能类别的半导体：基于氧化铀的半导体。
本文讨论了二氧化铀的电子性质，并描述了二氧化铀与传统半导体材料相比的潜在性能优势。讨论了补充基础数据的必要性。如果能及时得到测试结果，则会提供制造和测试铀基二极管的结果。这项工作是在美国能源部贫化铀用途研究和发展计划的赞助下进行的。
导言
从来没有一种电子设备是用铀的氧化物作为半导体制成的。然而，铀氧化物具有与传统硅、锗和砷化镓半导体材料相同或更好的固有电学和电学特性。图1将UO2电导率范围与普通绝缘体、半导体和导体（1）的典型电导率范围进行了比较。图2给出了UO2单晶的电导率随温度的变化。在室温下，本征UO2（3）的电导率与单晶硅近似，小于GaAs的本征电导率。显然，UO2是一种优良的半导体材料。
二氧化铀的太阳能电池效率与电子能带隙的关系如图3所示，并与其他半导体材料（1）进行了比较。UO2的电子带隙在Si和GaAs之间接近最佳效率，即在~1.3ev（2）下的最大曲线，表明UO2是一种比传统Si或GaAs材料更好的太阳能电池用半导体材料。
当连接处存在温度梯度时，某些相互接触的材料会产生电流。塞贝克系数是这种热电效应的量度。在室温（~300K）下，二氧化铀的塞贝克系数约为750:V/K，如图4所示。该值远高于目前最有前途的材料Tl2 SnTe5和Tl2GeTe5（~270:V/K）（4），如图5所示。其他因素，如导电率和导热率，与塞贝克系数一起是重要的，但这些因素也具有有利的性质，如前面所讨论的。因此，氧化铀可以用作热电材料，并应用于下一代小型冰箱和发电应用中。
与Si和GaAs的12和14相比，UO 2的介电常数与室温下的Si和GaAs-22的介电常数分别几乎是二次下一加倍，而Si和GaAs（2））。这种特性可以使适于使得更高密度的集成电路具有比当前硅基电子更高的击穿电压制成更高密度的集成电路，而不会由于较小的纳米尺寸特征而遭受互补的金属氧化物半导体（CMOS）隧道击穿。因此，氧化铀电子器件可以提供比传统的Si或GaAs材料装置更好的集成电路性能。文献搜索揭示了从未为UO2测量的工作功能参数。各种元件的功函数参数的值如图6所示。此外，还没有测量各种掺杂剂材料在氧化物中的溶解度。该信息表明氧化铀从未认真考虑为半导体器件。需要使用氧化铀作为半导体材料的意图再次测量许多电子参数。
铀基电子器件
讨论了这些数据对几种半导体器件的影响。
太阳能电池
UO2的电子带隙是〜1.3eV（室温下）（2），其在Si和GaAs之间，并且非常接近效率Vs eg的峰值，例如曲线，如图3所示。因此，UO2应该给予最高的太阳能电池效率。UO2，U3O8和U2O2的电子带隙使得这些材料中的每一个都可以制成可将光学和红外（IR）辐射转换成电能的光伏器件。
太阳能电池是一种简单，半导体，能量转换装置。在转换效率方面描述了这种装置的性能 - 从而将入射的太阳辐射转换为可用的电力。通过通过开路电压乘以短路电流来测量功率。
虽然各种太阳能电池设计是可行的，也许最容易制造肖特基势垒太阳能电池。这种太阳能电池利用了氧化物材料和形成二极管的其他接触材料的不同功函数。这种装置是用多晶或单晶二氧化铀制成的。通常，通过传统的溅射技术沉积薄的金属膜顶部触点，并且用镓制作欧姆背面触点。
热电器件
当在氧化铀材料和另一种热电材料（例如金属）之间形成连接时，就形成了热电电池。如果在结上建立温度梯度，则通过塞贝克效应产生电流。如果光学或红外辐射入射到材料上，就会在界面上产生额外的电流。例如，一种材料可能暴露在冰箱内部，而另一种材料则暴露在下一代冰箱的室温条件下。或者，在发电应用中，一种材料可能暴露于航天器的内部温度，而另一种材料暴露于环境冷空间温度。
集成电路
传统的集成电路由于采用较小的2.5纳米器件尺寸而遭受CMOS隧道击穿。微电路中的元件密度自工业早期以来呈指数级增长，每18个月就翻一番。要继续这种密度缩放，唯一的选择是使用更高介电常数的材料。制造商必须在五年内转换为高介电常数材料，以避免创新步伐放缓（5）。UO2在室温下的介电常数为22，而Si为12，GaAs为14（2）。这意味着二氧化铀集成电路可以比传统的集成电路小得多（更密集）。
所需基础数据
在说铀基半导体比现有半导体好之前，必须对铀氧化物单晶、多晶粉末和固体材料的电学和电光性能进行表征。
放射性衰变的影响
238u和235u的放射性衰变对电子性能的影响尚未评估。α粒子衰变将引入氦杂质，并可能抑制电流载流子迁移率和整体导电性。238u和235u的超长半衰期以及随后的缓慢衰减率对太阳能电池和热电器件的性能影响不大，但它们可能会影响高性能集成电路。
化学计量的影响
文献表明，二氧化铀作为半导体材料的性能与其化学计量比密切相关。例如，如图7所示，UO2.001的电导率与UO1.994的电导率相差四个数量级（3）。因此，以铀在半导体器件中的应用为目标，有许多氧化铀半导体的基本性质需要重新测量，并密切关注氧含量等参数。
掺杂剂材料
在铀基集成电路器件的设计和制造之前，必须选择掺杂剂。图8显示了掺杂剂在硅中的溶解度。杂质在铀中溶解度的相似曲线是选择最佳掺杂剂所必需的。但是，这样的曲线并不存在。
贫铀消耗
全世界每年大约有5000吨硅被加工成电子设备。如果用贫铀（DU）代替硅，以原子对原子（238/28）为基础，这相当于42000吨/年的DU消耗量。美国每年有约20000吨铀作为铀浓缩作业的尾矿生产。因此，如果所有的电子设备都是由铀制成的，那么它每年就可以消耗每年的DU产量。
铀基二极管的制备与测试
二极管是最简单的电子器件之一。然而，它是半导体应用的基石。制造和测量二氧化铀基二极管的性能可以预测太阳能电池、铀基晶体管等的性能。因此，评估电子学中的铀基材料将从最简单的电子器件开始。原理验证测试将使用基于UO2的多晶二极管进行。掺杂材料的类型最初将基于硅和砷化镓中使用的经验证的掺杂剂。第一种掺杂材料是铌。测试期间将测量电流-电压（I-V）曲线，并将结果与传统二极管进行比较。人们认识到，这种初始二极管性能可能不是最佳的，因为掺杂材料的选择几乎是任意的。
概要
铀氧化物有四个特点，可能使其性能大大优于传统半导体材料：（1）在相当高的温度下工作，~2600 K vs<473 K；（2）Seebeck系数比目前最有希望的材料大两到三倍，意味着热电器件的性能显著提高；（3）适合制造集成电路的介电常数更高；（4）更大的辐射和抗电磁干扰能力意味着特殊应用（如空间应用）的性能大大提高。然而，在说铀基半导体比现有半导体更好之前，必须对铀氧化物单晶、多晶粉末和固体材料的电学和电光性能进行表征。通过建立金属在铀中的溶解度曲线，确定最佳的掺杂材料。需要测量功函数等参数。
将用铀二极管进行原理验证实验，以证实铀作为半导体材料的理论前景。
致谢
这项工作是在美国能源部贫化铀用途研究和发展计划的赞助下进行的。
参考文献
- 施世明，1985年。半导体器件物理与技术，约翰威利和儿子。
- 萨姆索诺夫，G.V.，1982年。氧化物手册，第2版。
- Gmelin手册，1979年。“铀补充”，第C5卷。
- Sharp, J. W., et al., “Thermoelectric Properties of Two Ternary Tellurides,” Materials Research Society, Thermoelectric Materials 1998—The Next Generation Materials for Small-Scale Refrigeration and Power Generation Applications Symposium, Proceedings (eds.: Terry M. Tritt, et al.), Vol. 545, November 30—December 3, 1998, Boston Massachusetts, p. 391–397.
- Weise，P.，2000年3月25日。“寻找古德索德先生”，《科学新闻》，157（13），204。
托马斯·米克
材料科学工程系
田纳西大学
诺克斯维尔，TN 37931
Michael Hu和M.Jonathan Haire
化工技术处
橡树岭国家实验室
田纳西州橡树岭37831-6179
2000年8月
2001年废物管理研讨会
亚利桑那州图森
2001年2月25日至3月1日
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