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半导体学报2019年第5期——中文导读

已有 3367 次阅读 2019-5-21 11:26 |系统分类:论文交流

1. 化学浴沉积法制备的用于太阳能电池的PVA封端SnS薄膜的结构与光学研究

Sri Venkateswara大学物理系太阳能实验室K. T. Ramakrishna Reddy教授通过简单、低成本的湿法化学工艺以及在50-80 °C范围内不同温度的化学浴沉积（CBD）工艺，可以在玻璃基板上成功沉积PVA封端的单硫化锡（SnS）薄膜，实现低成本效益的光伏器件应用。根据X射线衍射结果推断，沉积的薄膜本质上是多晶的，表明其具有对应于SnS（040）面强峰的斜方晶系结构。拉曼分析进一步证实了该结论。FTIR光谱表明除SnS外还存在与PVA相关的吸收带。扫描电子显微镜和原子力显微镜研究证明沉积的SnS膜是均匀且为纳米结构的，其平均粒子尺寸为4.9-7.6 nm。光学研究表明，沉积的薄层具有良好的光吸收性质，其光吸收系数约为10⁵cm^–1。此外，随着化学浴浴温增加，可以观察到光学带隙从1.92 eV降低到了1.55 eV。该带隙值均高于体材料的带隙值（1.3 eV），推测这种带隙的变化与量子限制效应有关。利用光学带隙值计算了颗粒尺寸，并对计算结果进行了讨论。

图2.不同水浴温度下生长的SnS薄膜的X射线衍射图。

Structural and optical studies on PVA capped SnS films grown by chemical bath deposition for solar cell application

P Mallika Bramaramba Devi, G. Phaneendra Reddy and K. T. Ramakrishna Reddy

J. Semicond. 2019, 40(5), 052101

doi: 10.1088/1674-4926/40/5/052101

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2. 超细CsPbCl₃纳米线的光学特性研究

铯铅氯(CsPbCl₃)，作为一种宽带隙全无机钙钛矿半导体材料，在光电导、微型LED以及激光器等应用领域呈现出优异的光电特性。目前报导的绝大部分CsPbCl₃纳米线的研究工作主要集中在横线尺寸百纳米级别的纳米线上，有关近量子尺寸区域一维纳米线的光学特性研究依旧不足。因而，高质量低维CsPbCl₃纳米线的制备及其光学特性的研究对于低维纳米线光电器件的发展具有重要意义。

近期，湖北大学物理与电子科学学院王喜娜和北京大学工程学院材料科学与工程系张青研究员通过化学气相沉积法成功实现了纳米线高度低至~7 nm的超细单晶CsPbCl₃纳米线的制备，并采用功率依赖和温度依赖的荧光光谱技术研究了超细全无机CsPbCl₃钙钛矿纳米线中的激子动力学。实验结果显示CsPbCl₃纳米线具有较强激子发射特性，其主要的辐射复合通道来源于强的自由激子发光（~3.02 eV）。温度依赖的荧光光谱表明，随着温度的降低（从294 K至190 K），其自由激子发光峰首先呈现一个蓝移的趋势；在~190 K处，随着温度的降低，峰位呈现红移的趋势。通过拟合温度依赖的自由激子发光强度和线宽，文章报道了纳米线具有~37.5 meV大小的激子结合能和~48.0 meV的平均光学声子能量。该结果不仅促进了低维半导体CsPbCl₃纳米线的制备，同时为氯基钙矿的激子动力学研究拓展了研究视角。

图(a) 生长在云母衬底上CsPbCl₃纳米线的扫描电子显微图；(b) 78 K温度下CsPbCl₃纳米线（高度: ~7 nm）荧光光谱图；(c) 温度依赖的纳米线内自由激子荧光强度（蓝色）和中心峰位（品红色）变化图谱。

Photoluminescence properties of ultrathin CsPbCl₃ nanowires on mica substrate

Yan Gao, Liyun Zhao, Qiuyu Shang, Chun Li, Zhen Liu, Qi Li, Xina Wang and Qing Zhang

J. Semicond. 2019, 40(5), 052201

doi: 10.1088/1674-4926/40/5/052201

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3. 自动偏振控制下硅光子芯片上多通道28GHz毫米波信号的产生

随着5G无线通信技术的兴起，基于毫米波频段的大规模天线阵列技术得到了广泛研究。毫米波频段可以提供远高于基于较低载频的上一代无线通信系统所支持的信号带宽，以满足不断涌现的高带宽应用及业务的需求。另一方面，毫米波的短波长特性使得天线体积可以被设计得更小，从而在相同模块体积下更容易实现支持多输入多输出（MIMO）技术的大规模天线阵列。然而，大规模毫米波频段天线阵列的研制在体积、成本、功耗等方面仍面临诸多挑战。

基于片上光子集成电路（PIC）的毫米波产生方案凭借低相位噪声、毫米波频率宽带灵活可调等特性，已成为实现高性能毫米波系统的重要研究方向。目前，国际上已报告的PIC毫米波发生器均基于硅基光子平台或三五族（III-V）平台。但是针对5G多用户MIMO场景，基于光子器件的片上多通道毫米波产生还未有报导。

上海交通大学苏翼凯教授课题组研制了支持全通道偏振自动控制的7通道硅基毫米波产生芯片（图1）。针对每条通道，该工作实验演示了承载4 Gb/s正交相移键控（QPSK）数据的28GHz毫米波信号的产生与解调过程，验证了该芯片具备多通道大容量毫米波产生能力。同时，该工作通过实验原理性验证了该芯片可以在光与无线融合系统中得到应用（图2），为了支持该芯片的多通道特性，该系统的传输段采用了2km7芯光纤进行空分复用以实现多通道同时工作。

图1. 7通道硅基毫米波产生芯片显微镜照片

图2. 基于硅基光子毫米波产生芯片的多通道光与无线融合系统架构

Multi-channel 28-GHz millimeter-wave signal generation on a silicon photonic chip with automated polarization control

Ruiyuan Cao, Yu He, Qingming Zhu, Jingchi Li, Shaohua An, Yong Zhang and Yikai Su

J. Semicond. 2019, 40(5), 052301

doi: 10.1088/1674-4926/40/5/052301

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4. 抗辐射高压SOI LDMOS的研究

总剂量辐射在氧化层中产生的电荷导致现代CMOS集成电路发生退化，例如阈值电压漂移、泄漏电流增大和寄生导电通道的形成。高压SOI LDMOS器件具有更厚的栅氧化层、埋氧化层和隔离氧化层，因此这种退化现象更严重。人们基于高压MOSFET技术开发了大量抗辐射产品，广泛应用于高可靠性和太空市场。然而，国内尚无抗辐射高压电路产品报道。

中国电子科技集团公司第五十八研究所SOI工艺课题组李燕妃工程师基于SOI技术和抗辐射硅栅工艺研制了高压SOI LDMOS器件，该硅栅工艺可以降低总剂量辐射引起的阈值电压漂移，提高器件的抗辐射能力，结构如图所示。辐射环境下，埋氧化层产生的正电荷使得顶层硅下界面发生反型，通过采用P型离子注入工艺防止背栅界面寄生沟道产生，从而避免器件背栅漏电。同时，环形栅和保护环结构预防了辐射导致的鸟嘴下方和深隔离槽拐角处的横向漏电通道。本文研制的抗辐射高压SOI LDMOS器件作为抗辐射模拟开关和高压驱动电路的重要组成部分，应用于太空飞船和卫星的电子系统，其抗辐射加固技术也可用于开发其它SOI CMOS电路。

图2. 本文提出的TID辐射后的抗辐射高压LDMOS结构

Research for radiation-hardened high-voltage SOI LDMOS

Yanfei Li, Shaoli Zhu, Jianwei Wu, Genshen Hong and Zheng Xu

J. Semicond. 2019, 40(5), 052401

doi: 10.1088/1674-4926/40/5/052401

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5. 一种用于静电放电保护的NMOS触发LIGBT结构设计与分析

在现代智能电源技术中，高压晶体管已广泛应用于电源管理系统、汽车电子和显示驱动电路中。一次轻微的静电放电（ESD）脉冲可能导致器件永久性损坏。为了优化芯片内部电路的各项性能，采取有效的ESD防护措施是必要的。ESD防护设计的难点表现为：首先，ESD信号非常快。通常器件来不及建立热平衡，因此准静态模型对于处在ESD应力下的器件结构来说是不适用的；其次，ESD事件是一个复杂的物理过程，ESD脉冲下的物理机制难以挖掘以及模型难以建立；最后，ESD防护措施需要根据不同的应用环境、不同的工艺等来进行设计。目前，低压集成电路的ESD防护设计已取得了较大的成就，但现如今高压集成电路使用越来越广泛，因此需要将研究重点转移到高压电路上。用于高压功率集成电路的高压器件主要是LDMOS器件和横向绝缘栅双极晶体管（LIGBT）器件。LDMOS防护器件的ESD性能已有所研究，但是对LIGBT防护器件的研究却鲜有见到，尤其是SOI-LIGBT器件。SOI-LIGBT器件存在寄生PNPN结构，所以会存在闩锁效应，探究该器件的ESD性能与闩锁效应对提高功率集成电路的可靠性具有十分重要的意义。

南京邮电大学电子与光学工程学院、微电子学院成建兵博士课题组针对常规LIGBT结构在ESD应力下有着较强电流处理能力但存在开启电压高、维持电压低所导致设计窗口大的问题，提出了一种内部NMOS优先触发LIGBT器件的新结构，利用源端引入的NMOS结构比反偏PN结更早触发的特点，使得触发电压降低，内部又引入能钳制电压的新寄生三极管，器件内部原本的正反馈效应由于新寄生晶体管的引入得到有效的抑制，从而提高了器件的维持电压。仿真结果显示，相比常规LIGBT结构，新结构的触发电压大幅降低，维持电压有所提高，并且器件的ESD鲁棒性也维持在较高水平。

图2.ESD应力下LIGBT的I-V曲线

高压功率IC技术在持续快速发展，这也就给其ESD研究带来了极大的困难，换言之，也就是带来了无限的挑战。ESD防护设计包含了电路、器件物理、热学以及电磁学等不同领域的各种专业知识。所以，为了增强芯片内部电路的稳定性和可靠性，进行有效的ESD防护设计一直是研究重点。本文的研究会给后续研究人员提供防护器件设计的一种思路。

Design and analysis of a NMOS triggered LIGBT structure for electrostatic discharge protection

Li Tian, Jianbing Cheng, Cairong Zhang, Li Shen and Lei Wang

J. Semicond. 2019, 40(5), 052402

doi: 10.1088/1674-4926/40/5/052402

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6. GaAs (001)上外延生长的偏化学计量比Co₂MnAl薄膜磁输运性质

与半导体兼容的高自旋极化率垂直磁各向异性材料对于探索制备高密度、高性能和低功耗自旋电子学器件尤为重要。半金属性（half-metallic）的Co基全Heusler合金自旋极化率理论上为100%，然而由于其立方结构对称性，这类合金通常是面内易磁化的。第一性原理计算表明，偏离Co₂MnAl化学计量比的Co_2-xMn_1+xAl的自旋极化率可以达到90%以上，因此在Co_2-xMn_1+xAl中通过改变Co原子和Mn原子的相对含量实现垂直磁各向异性具有重要意义，而深入了解其磁输运性质将有助于实现这类材料的实际应用。

中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室赵建华研究员的博士生余之峰等在半导体GaAs衬底上外延生长出垂直磁各向异性Co_1.65Mn_1.35Al薄膜, 并研究了其变温磁输运性质。他们发现随着温度由300 K降低至5 K，薄膜电阻率单调递减，表现出类半导体的输运行为。在整个测试温区内观察到两个转变温度点，分别是35 K和110 K。由此划分为三个温度区间，这三个温区中电阻率的变化表明载流子具有不同的激活能。剩余磁矩在对应的中温和高温区可以分别由T^3/2和T²规律进行描述，因此在110 K附近的转变可以归因于铁磁交换媒介由局域电子向巡游载流子的转变。Co_1.65Mn_1.35Al薄膜的居里温度约为640 K，晶格常数与GaAs接近，这些性质使得这种与半导体兼容的垂直磁各向异性材料在未来自旋电子学器件中有着令人期待的应用前景。

图1. Co_1.65Mn_1.35Al薄膜电阻率的温度依赖关系

Magneto-transport properties of the off-stoichiometric Co₂MnAl film epitaxially grown on GaAs (001)

Zhifeng Yu, Hailong Wang, Jialin Ma, Shucheng Tong and Jianhua Zhao

J. Semicond. 2019, 40(5), 052501

doi: 10.1088/1674-4926/40/5/052501

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7. 利用一种简便方法合成用于高效水裂解的超长Cu₂O纳米线阵列

自从1972年Fujishima和Honda首次报道利用TiO₂电极在光电化学装置中实现分解水产氢以来，将太阳能转化为氢等化学燃料逐渐成为解决全球可持续能源挑战的最可行方案。然而，由于转换效率太低，到目前为止该方案仍然难以大规模实际应用。为了解决这一问题，通过合成独特形貌的电极是从根本上提高光催化分解水效率的一种有效方法，这主要基于其结构上（大小和形状）的独特优势。纳米线作为一种典型的纳米结构，已经在各种半导体中成功制备出来，用以提高其光电化学性能。

Cu₂O因具有良好的直接带隙（2.1 eV），而成为一种极受关注的光能转换材料。此外，与其他P型光电化学材料相比，铜含量丰富，制备成本低。为了提高Cu₂O光电极的催化性能，各种具有高比表面积和短的载流子扩散距离的纳米结构已被成功制备，包括纳米棒、纳米线、纳米管、纳米立方和纳米球等。然而，超长的Cu₂O纳米线阵列用于光电化学分解水，至今未有相关的研究报道。

最近，德国伊尔梅瑙工业大学的雷勇课题组联合中科院半导体所王智杰课题组，采用一种操作方便、成本低廉的阳极氧化铝模板技术成功地合成了超长Cu₂O纳米线阵列，并制备了一种基于超长Cu₂O纳米线阵列的新型光电阴极。与Cu₂O薄膜的光电阴极相比，Cu₂O纳米线阵列光电阴极的光电流可从-1.00 mA/cm²显著提高到-2.75 mA/cm²，这主要归因于纳米结构高比表面积、光捕获和短载流子转移的优点。利用原子层沉积技术在Cu₂O纳米线阵列上沉积铂纳米颗粒，进一步优化了光电化学电极，使其光电流提高到了-7 mA/cm²。这项工作为光电化学电池提供了一种低成本、自然丰富的纳米线材料。

图2. (a) 制备的Cu₂O 纳米线阵列的扫描电镜图 (插图是其截面结构的扫描电镜图), (b) Cu₂O 纳米线阵列电极和Cu₂O薄膜电极的J-V特性曲线，沉积铂后的Cu₂O 纳米线阵列电极的J-V特性曲线(c)和其外量子效率随光波长的变化(d)，插图是沉积铂前、后电极的阻抗谱。

Realizing super-long Cu₂O nanowires arrays for high-efficient water splitting applications with a convenient approach

Nasori Nasori, Tianyi Dai, Xiaohao Jia, Agus Rubiyanto, Dawei Cao, Shengchun Qu, Zhanguo Wang, Zhijie Wang and Yong Lei

J. Semicond. 2019, 40(5), 052701

doi: 10.1088/1674-4926/40/5/052701

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8.V形坑合并层的位置对InGaN绿光LED光电性能的影响

氮化镓及其相关合金(AlInGaN)作为一种重要的半导体材料，近年来受到了广泛的关注。由于其带隙大，广泛应用于激光二极管(LDs)、发光二极管(LED)、高电子迁移率晶体管(HEMTs)等光电器件的制造中。其中，基于InGaN的LED因其在环境效益和节能方面的独特优势，在固态照明、显示、医疗仪器等领域得到了广泛的研究和应用。各种研究小组已经证明，有意引入的V形坑可以有效地屏蔽线位错，并提高AlInGaN基LED的光电性能。此外，还有研究表明观V形坑可以促进空穴注入到更接近n-GaN的量子阱(QWs)中，进而影响量子效率。在外延生长过程中，可以通过调节生长温度和InGaN/GaN超晶格(SLs)的周期数来控制V形坑的平均尺寸和密度，通过控制生长温度、载流子气体和压力等P型层生长条件来合并V形坑。

由于这些V形坑是由应力释放层的位错产生的，位于多量子阱(MQWs)区域，然后以固定的交角(56°)向上生长，V形坑合并层(VCL)的位置将直接决定V形坑中P型层的数量。作为一种有效的提高led性能的技术，V形坑对LED光电性能的影响已经得到了广泛的研究。然而，关于VCL的位置对led光电子性能的影响却很少被讨论。

南昌大学国家硅基LED工程技术研究中心郑昌达教授研究了具有不同VCL位置的InGaN基LED的光电性能。研究发现，先合并V形坑会阻碍空穴从V形坑侧壁注入，从而在低电流密度下产生较高的EQE，但随着电流密度的增大，其EQE值下降得更早。同时，空穴从V形坑侧壁注入比例的降低，也会导致室温下的工作电压升高，并且随着温度降低，电压急剧升高。而工作电压越高，通过V形坑侧壁注入的空穴动能越大，从而导致侧壁量子阱和靠近n型层的较深量子阱发光。为了更好地理解传输路径的变化，图1的示意图展示了空穴在两个VCL位置不同的样品中可能的传输路径。

研究结果表明，为了提供合适的空穴浓度和工作电压，VCL应适当地掺杂。

图1. V坑合并层位置不同的两个样品中可能存在的空穴传输途径示意图

Effects of V-pits covering layer position on the optoelectronic performance of InGaN green LEDs

Chen Xu, Changda Zheng, Xiaoming Wu, Shuan Pan, Xingan Jiang, Junlin Liu and Fengyi Jiang

J. Semicond. 2019, 40(5), 052801

doi: 10.1088/1674-4926/40/5/052801

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9. GaN基绿色激光二极管非均匀展宽对其阈值电流的影响

红、绿、蓝三种颜色作为光的三原色，通过这三种色光的组合可以实现各种颜色，其中以红、绿、蓝三种半导体激光器为基础的显示技术能覆盖人眼色域范围的百分之九十，目前被认为是最好的显示技术。在市场上，GaAs基红光激光器与GaN基蓝光激光器的制备都已经成熟并且商业化，目前的激光显示产品大多数都是基于蓝光激光器加荧光粉来实现各种色光，但目前的GaN基绿光激光器还存在着电光转换效率和光输出功率低、阈值电流高的等问题，还无法实现规模化的商业应用。对于GaN基激光器，InGaN量子阱中的In组份越高，量子阱的生长就越为困难，导致增益谱的非均匀展宽越为严重，高的非均匀展宽会降低材料增益与微分增益，从而使得激光器的阈值电流上升、性能下降。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所刘建平研究员通过非均匀展宽模型研究了两个绿光激光器非均匀展宽值，发现不能激射的激光器的非均匀展宽比阈值电流为3.0 kA/cm²的绿光激光器大了10 meV。这个10 meV的差别使得电流从1.25 kA/cm²增加到3.0 kA/cm²时，两个绿光激光器模式增益差从3.9 cm^-1增加到了8.2 cm^-1，并且使得高非均匀展宽的绿光激光器无法激射。

可以通过对绿光激光器非均匀展宽的研究，得到InGaN材料的增益谱的非均匀展宽值，进而能够分析不同外延结构、生长条件对InGaN材料的影响，进而降低绿光激光器的阈值电流，提高激光器的性能。

图3.模态峰值增益与电流密度的关系

Effect of inhomogeneous broadening on threshold current of GaN-based green laser diodes

Yipeng Liang, Jianping Liu, Masao Ikeda, Aiqin Tian, Renlin Zhou, Shuming Zhang, Tong Liu, Deyao Li, Liqun Zhang and Hui Yang

J. Semicond. 2019, 40(5), 052802

doi: 10.1088/1674-4926/40/5/052802

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10. 一种具有双屏蔽结构和超低栅漏电荷的新型4H-SiC沟道MOSFET

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料，具有临界击穿电场强，热导率高，禁带宽度大等特点，在高功率、高频、高温的电力电子系统应用中具有优势。SiC MOSFET器件是压控器件中最能充分发挥材料优越性能的功率器件。然而在相同耐压下，SiC MOSFET的栅漏电荷(Q_GD)比Si MOSFET更大，这意味着系统功耗更大，因此不利于发挥SiC MOSFET在开关应用中的优势。

电子科技大学电子薄膜与集成器件重点实验室罗小蓉教授课题组提出一种具有双屏蔽结构的SiC MOSFET（SiC MOSFET with Double Shielding Structure, DS-MOS），如图1(a)所示。新结构利用双屏蔽结构来降低SiC MOSFET的栅漏电容(C_GD)和栅漏电荷(Q_GD)，改善了器件的动态特性，降低了器件的开关功耗。为了更好地展现DS-MOS的优势，本文选取了两个对比结构，分别是SiC 双槽型MOSFET (Double-Trench MOSFET, DT-MOS)和SiC 传统槽栅型MOSFET (Conventional Trench MOSFET, CT-MOS)，如图1(b)和图1(c)所示。仿真结果显示，在比导通电阻一致时，DS-MOS的Q_GD与DT-MOS和CT-MOS相比分别降低了85%和81%，如图2(a)所示。Q_GD的降低使得DS-MOS的开关时间和开关损耗降低。当开关频率为200kHz，占空比为0.5时，DS-MOS的总功耗(导通功耗和开关损耗)与DS-MOS与CT-MOS相比分别降低了48%和43%，如图2(b)所示。出色的动态特性使得DS-MOS更适合应用于高频、大功率的功率系统中。

图1.器件结构示意图。(a)DS-MOS；(b)DT-MOS；(c)CT-MOS

图2.器件特性对比。(a)QGD与Ron,sp的折衷；(b)总损耗与频率的关系

A novel 4H-SiC trench MOSFET with double shielding structures and ultralow gate-drain charge

Xiaorong Luo, Tian Liao, Jie Wei, Jian Fang, Fei Yang and Bo Zhang

J. Semicond. 2019, 40(5), 052803

doi: 10.1088/1674-4926/40/5/052803

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11. 一种新的射频电荷等离子体隧道场效应管设计方法

印度信息技术设计与制造研究所Shivendra Yadav教授研究了额外电子源（EES）和双金属栅工艺对传统电荷等离子体隧穿场效应晶体管（CP-TFET）的影响，并改善了其直流和模拟/ 射频参数。通过在源/通道结下方放置EES，可以将CP-TFET结构升级为双源CP-TFET（DS-CP-TFET），提高该器件在驱动电流和RF品质因数（FOMs）方面的性能。但这种结构器件的漏电流也更高，这种现象类似于MOSFET和负电导（TFET的固有特性）。这些问题可以通过在双源双栅极CP-TFET（DS-DG-CP-TFET）中加入栅极功函数工程和漏极叠加工艺来解决。此外，为了获得DS-DG-CP-TFET的最佳性能，通过研究EES位置、漏电极长度以及栅电极1（GE1）的功函数等参数，可以对器件灵敏度进行进一步探究。