18.2月 2013年

ABSTRACT

Semiconductors that are based on uranium dioxide (or other actinide compounds) appear possible and could offer significant improvements in performance as compared to conventional Si, Ge, and GaAs materials. The energy band gap (forbidden band gap) for uranium dioxide (UO2 ) lies between Si and GaAs at the optimum of the band gap vs efficiency curve (1), indicating that one should be able to use uranium oxides to make very efficient solar cells, semiconductors, or other electronic device. The electrical conductivity of intrinsic UO2 is approximately the same as GaAs (1). The dielectric constant of UO2 (~22) is nearly double that for Si (11.2) and GaAs (14.1) (2), perhaps making UO2 better suited for integrated circuits than Si, Ge, and GaAs. The ceramic oxides of uranium (e.g., U3O8 or UO2 ) can withstand much higher operating temperatures (~2600 K) than can Si or GaAs (<473 K). In addition, oxides are much more resistive to radiation damage, perhaps making uranium oxides more suitable for fabrication of devices used in special (e.g., space and military) applications. Thus, it appears that a new higher performance class of semiconductors are possible: uranium oxide-based semiconductors.

本文讨论了二氧化铀的电子性质，并描述了与常规半导体材料相比二氧化铀的潜在性能优势。讨论了对额外基本数据的需求。如果测试结果及时可用，将呈现制造和测试基于铀的二极管的结果。这项工作是根据美国能源部耗尽铀的主持进行的，使用研发计划。

介绍

从来没有使用铀作为半导体的氧化物制成的电子设备。然而，氧化铀具有与传统Si，Ge和GaAs半导体材料的内在性质相当的内在电气和电子性质。图1将UO2电导率的范围与常见绝缘体，半导体和导体（1）的典型电导率进行了典型的电导率范围。图2给出了UO2单晶的电导率作为温度的函数。在室温下，固有UO 2（3）的电导率与单个硅晶体大致相同，并且小于GaAs的内在电导率。显然，UO2是优质的半导体材料。

太阳能电池效率与二氧化铀的电子能带隙显示在图2中。3并与其他半导体材料（1）进行比较。UO2的电子带隙位于Si和GaAs之间的〜1.3eV（2）的最大曲线的最佳效率，表明UO2比是用于太阳能电池应用的传统Si或GaAs材料的稍微更好的半导体材料。

当在接合处存在温度梯度时，彼此接触的某些材料产生电流。塞贝克系数是这种热电效应的衡量标准。在室温（〜300k），二氧化铀的塞贝克系数是〜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，例如电和导热率，与塞贝克系数一起是重要的，但是这些因素也具有良好的性质，如前所述。因此，氧化铀可以用作热电材料，并且应用于下一代小型冰箱和发电应用。

The dielectric constant of UO2 is nearly double that of Si and GaAs—22 at room temperature as compared to 12 and 14 for Si and GaAs, respectively (2). This characteristic may make uranium oxides suitable for making higher density integrated circuits with higher breakdown voltages than current silicon-based electronics, without suffering complementary metal oxide semiconductor (CMOS) tunneling breakdown due to smaller nanometer size features. Thus, uranium oxide electronics may offer better integrated circuit performance than do conventional Si or GaAs material devices. A literature search reveals that the work-function parameter has never been measured for UO2 . The value of the work function parameter for various elements are shown in Fig. 6. Also, the solubility of various dopant materials in uranium oxides has not been measured. This information indicates that uranium oxides have never seriously been considered as semiconductor devices. Many electronic parameters need to be measured again with the intent of using uranium oxides as semiconductor material.

基于铀的电子设备

讨论了几种半导体器件的这些数据的含义。

太阳能电池

The electronic bandgap of UO2 is ~1.3 eV (at room temperature) (2), which is between Si and GaAs and is very near the peak of the efficiency vs Eg curve, as shown in Fig. 3. Thus, UO2 should give the highest solar-cell efficiency possible. The electronic band gap for UO2 , U3O8 , and U2O2 are such that each of these materials can be made into a photovoltaic device that can convert optical and infrared (IR) radiation into electrical energy.

A solar cell is a simple, semiconductive, energy conversion device. The performance of such a device is described in terms of conversion efficiency—how well incident solar radiation is converted into usable electrical power. Power is measured by multiplying short circuit current by open-circuit voltage.

虽然各种太阳能电池设计是可行的，但也许最容易制造的是肖特基托尔太阳能电池。这种类型的太阳能电池利用氧化物材料的不同工作功能和形成二极管的其他接触材料。该装置通过使用多晶或单晶铀二氧化氧化物制造。通常，通过常规溅射技术沉积薄，金属膜顶部触点，并且用镓制造欧姆背触点。

热电设备

当在氧化铀材料和另一种热电材料（例如，金属）之间的连接时，制造热电电池。如果在接合处建立温度梯度，则通过塞贝克效应产生电流。如果光学或IR辐射入射在材料上，则在接口上产生额外的电流。例如，一种材料可能暴露于冰箱的内部，另一个材料在下一代冰箱中的环境室条件暴露于冰箱内部。或者，一种材料可以暴露于航天器的内部温度，另一个材料在发电应用中的外部冷空间温度下。

集成电路

由于今天使用的较小的2.5纳米装置尺寸，传统的集成电路遭受CMOS隧道击穿。微电路中的组分密度是指数增长的，因为行业的早期每18个月加倍。为了继续这种密度缩放，唯一的选择是进入更高的介电恒定材料。制造商必须在五年内转换为高介电恒定材料，以避免松弛创新的步伐（5）。与GaAs（2）的Si和14相比，UO2的介电常数是22的室温。这意味着二氧化铀集成电路可以比传统的集成电路更小（更密集）。

需要基本数据

在可以说，基于铀的半导体优于当前的半导体，必须表征氧化铀单晶和多晶粉末和固体材料的电子和电光特性。

放射性衰变的影响

没有评估238 u和235 u和235 u对电子性能的放射性衰减的影响。α颗粒腐烂将引入氦杂质，并且可能抑制电流载流子迁移率和总电导率。238 U和235 U和随后的缓慢衰减率的长半衰期应对太阳能电池和热电设备的性能影响不大，但它们可能会影响高性能集成电路。

Impact of Stoichiometry

该文献表明，作为半导体材料的UO2的性能与其化学计量强烈相关。例如，如图2所示。如图7所示，UO2.001与UO1.994的电导率变化了四个数量级（3）。因此，存在许多铀的基本性质，氧化亚氧化物半导体应该重复 - 以氧气含量为这些参数的密切关注，目的是在半导体器件中使用铀。

Dopant Materials

在基于铀的集成电路器件之前，必须设计和制造，必须选择掺杂剂。图8显示了硅中的掺杂剂溶解度。需要铀杂质溶解度的类似曲线来选择最佳掺杂剂。但是，这种曲线不存在。

贫瘠的铀消费量

每年大约5,000吨硅在电子设备上处理全球。如果使用耗尽铀（DU）代替硅，则在原子为原子（238/28）上，这对应于42,000吨/杜消费。美国每年有约20,000吨杜，因为来自铀浓缩业务的尾巴。因此，如果所有电子设备都是由铀制成的，它可以每年消耗杜的年度生产。

基于铀的二极管的制造和测试

二极管是最简单的电子设备之一。然而，它是半导体应用的构建块。制造和测量基于二氧化二氧化铀的二极管的性能预测太阳能电池，基于铀的晶体管等的性能，因此，电子设备中铀的基础材料的评估将以最简单的电子设备开头。校对 - 原理测试将使用多晶UO2基二极管进行。掺杂剂材料的类型最初将基于Si和GaAs中使用的经过验证的掺杂剂。第一掺杂剂材料将是铌。在测试期间将测量电流VS电压（I-V）曲线，结果将与常规二极管进行比较。据认识到，由于掺杂剂材料的选择几乎是任意的，该初始二极管性能可能不是最佳的。

SUMMARY

氧化铀有四种特性，可能潜在地提供比常规半导体材料更好的性能：（1）在基本上更高的温度下操作，〜2600 k Vs <473 k;（2）塞贝克系数比最有前景的电流材料大2至三倍，暗示显着更好地执行热电装置;（3）适合制备集成电路的更高介电常数;（4）更大的辐射和EMI电阻意味着特别提高了特殊的性能，例如，空间，应用程序。然而，在可以说铀的半导体比电流优于，必须表征氧化铀单晶和多晶粉末和固体材料的电子和电光特性。必须通过在铀曲线中发育金属溶解度来建立最佳掺杂剂。需要测量参数，例如工作功能。

将进行用铀二极管的原则上的实验，以确认铀用作半导体材料的理论承诺。

承认

这项工作是根据美国能源部耗尽铀的主持进行的，使用研发计划。

参考

  1. SZE，S. M.，1985年。半导体器件 - 物理和技术，约翰瓦利和儿子。
  2. Samsonov，G. V.，1982年。氧化物手册2D ED。
  3. Gmelin手册，1979年。“铀补充剂”，Vol。C5。
  4. 夏普,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.
  5. 2000年3月25日，P.，P.，3月25日。“寻找Goodoxide先生，”科学新闻，157（13），204。

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托马斯温斯
材料科学工程系
University of Tennessee
Knoxville, TN 37931
Michael Hu和M. Jonathan Haire
化学科学部
橡树岭国家实验室
田纳西州田纳西州37831-6179
2000年8月
对于废物管理2001年研讨会
图森，亚利桑那州
2001年2月25日至3月1日
提交的稿件已由合同De-AC05-00OR22725下的美国政府承包商颁发。因此，美国政府保留了一个非豁免牌照，即发布或复制本贡献的公布形式，或者允许其他人这样做，以便为美国政府目的进行。