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半导体学报2019年第9期——纪念黄昆先生百年诞辰专刊

已有 4365 次阅读 2019-9-6 16:37 |系统分类:论文交流

2019年9月2日是世界著名物理学家、中国固体物理和半导体物理学奠基人之一黄昆先生百年诞辰。

早在英国期间，黄昆先生在固体物理领域就取得了卓越的成就。1951年，黄昆先生回国，先后担任北京大学物理系教授、固体物理教研室主任，是中国固体物理学科的开创者。1956年，北大、复旦等五校联合成立半导体专门化，黄昆先生任教研室主任，谢希德先生任副主任，开启了中国自主培养半导体科技人才的新纪元，为中国培养了大批半导体科技人才。

黄昆先生1955 年被遴选为中国科学院数理学部委员，1977年起任中国科学院半导体研究所所长、名誉所长，曾先后当选瑞典皇家科学院国外院士、第三世界科学院院士、IUPAP半导体分会委员、中国物理学会理事长。

为纪念黄昆先生，2019年9月1-3日，中国科学院半导体研究所、北京大学、中国物理学会和九三学社在北京西郊宾馆联合举办“纪念黄昆先生诞辰100周年暨半导体学科发展研讨会”，Journal of Semiconductors邀请部分与会专家撰写了半导体材料、物理和器件等领域的研究论文和综述文章，出版了这期纪念黄昆先生百年诞辰专刊。

该专刊包括4篇综述文章和4篇研究论文，分别来自美国北卡罗来纳大学夏洛特分校、美国劳伦斯伯克利国家实验室、中国科学院上海技术物理研究所、半导体研究所和南京大学、北京计算科学研究中心等单位的科研团队，介绍了国内外半导体学科相关领域的最新进展和发展方向，其中，美国劳伦斯伯克利国家实验室汪林望教授的综述论文“Some recent advances in ab initio calculations of nonradiative decay rates of point defects in semiconductors”、美国北卡罗来纳大学夏洛特分校张勇教授的综述论文“Applications of Huang-Rhys theory in semiconductor optical spectroscopy”，延续了黄昆先生的主要研究方向，介绍了声子相关的最新研究进展。

特别地，我们将黄昆先生发表在《半导体学报》第一卷第一期上的第一篇文章（On the Applicability of Adiabatic Approximation in Multiphonon Recombination Theory. K Huang. Chin J Semicond, 1980, 1(1), 1 ）翻译为英文，时隔40年重新出版。

希望本专刊的出版可以为半导体学科的学术交流和发展做一些贡献，并以此纪念黄昆先生百年诞辰。

1. 二维范德瓦尔斯异质结的晶格振动及拉曼散射

对二维材料及其相关范德瓦尔斯异质结的研究是近年来凝聚态物理中的重要课题。晶格振动，即声子，是固体最重要的元激发之一，是理解材料摩尔热容、德拜温度以及热膨胀系数等热力学性质的基础；由于电声子相互作用，声子对固体中电导和超导特性等电子性质也有较大调制作用。拉曼光谱作为表征晶格振动的重要工具，可以提供材料的晶格结构、声子色散、电子能带以及电声子耦合等信息。

半导体研究所谭平恒研究组撰写了综述性文章，总结了近年来拉曼光谱在表征包括转角多层石墨烯，转角多层二硫化钼，MoS₂/Graphene和WS₂/hBN等范德瓦尔斯异质结层间和层内晶格振动方面的进展。

图1. 石墨烯(Graphene)、过渡金属硫族化合物(TMDs)、六方氮化硼(hBN)、转角双层二硫化钼(t2LM)、转角双层石墨烯(t2LG)、二硫化钼/石墨烯(MoS₂/Graphene)和二硫化钼/氮化硼(WS₂/hBN)晶体结构示意图。

本文首先介绍了二维材料中的层间振动模式(包括剪切模和呼吸模)，并通过线型链模型完美拟合层间模式频率。根据线型链模型，层间剪切和呼吸耦合力常数可以分别从实验上测到的剪切模和呼吸模的频率直接得到。考虑界面耦合，可将线型链模型扩展到范德瓦尔斯异质结中，如转角多层石墨烯，计算层间模式的频率与层数的关系。另外，由于层间耦合，t2LM中形成周期性的莫尔图案，莫尔周期势使得单层二硫化钼的层内振动模式可折叠到布里渊区中心而形成莫尔声子，在拉曼光谱中可探测频率依赖于堆垛角度的拉曼模式。改变两层二硫化钼的堆垛角度，根据t2LM中的莫尔声子的频率变化可得到单层二硫化钼的声子色散曲线。由于异质结界面处明显的层间耦合，在MoS₂/Graphene和WS₂/hBN中发现了很多新的与范德瓦尔斯层数相关的呼吸模。同时，由于异质结中两种成分的晶格失配度比较大，界面耦合力常数与堆垛方式和角度没有明显的依赖关系。这些呼吸模的频率可以根据改进的线型链模型计算得到，而强度则可用层间键极化率模型来解释，并由此给出二维范德瓦尔斯异质结的界面耦合强度和各层间呼吸模的电声耦合强度等重要参数。

范德瓦尔斯异质结拉曼光谱的研究对层间和层内声子模式以及层间或跨维度的电声子耦合的调制提供了途径，对二维范德瓦尔斯异质结的光学性质研究及其在器件中的应用具有重要意义。

Lattice vibration and Raman scattering of two-dimensional van der Waals heterostructure

Xin Cong, Miaoling Lin and Ping-Heng Tan

J. Semicond. 2019, 40(9), 091001

doi: 10.1088/1674-4926/40/9/091001

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2. 低功耗二维逻辑晶体管

对高性能逻辑晶体管不断增长的需求推动了芯片集成的指数级增长，晶体管已经迅速缩小到10纳米以下。短沟道效应（SCE）引起的漏电流和亚阈值斜率（SS）的增加将导致器件工作期间的额外散热。基于二维（2D）半导体如过渡金属二硫化物（TMDC）的电子器件的功耗显著降低，这得益于其原子级薄的厚度。

本文中，南京大学电子科学与工程学院及先进微结构协同创新中心王欣然教授等讨论了二维金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）和二维负电容场效应晶体管（NCFET）的介电集成进展，概述了它们作为超规模逻辑开关在低功耗应用中的潜力。综上，本文展示了对2D低功耗逻辑晶体管的一些观点，包括2D MOSFET和NCFET的超薄等效氧化物厚度（EOT）、低界面陷阱密度、可靠性、运行速度。

图1. 在2D材料上集成超薄高κ电介质。（a）通过ALD技术直接沉积在MoS₂上的HfO₂形成岛结构的3D AFM图像。（b）基于单层2D TMDC的顶栅FET示意图。（c）对低功率器件的2D材料要求高κ电介质; （d）通过臭氧预处理沉积HfO₂电介质的顶栅MoS₂ FET的器件示意图。（e）用金属氧化物缓冲层和HfO₂膜覆盖的少量MoS₂层结构示意图。（f）具有CaF₂栅极电介质的双层MoS₂ FET的原子结构图示。在CaF₂（111）F终端和MoS₂通道之间形成准范德瓦尔斯界面。（g）PTCA涂覆的石墨烯。PTCA选择性地粘附在SiO₂表面的石墨烯上，为ALD沉积提供结合位点。插图是PTCA结构的顶视图。

Reducing the power consumption of two-dimensional logic transistors

Weisheng Li, Hongkai Ning, Zhihao Yu, Yi Shi and Xinran Wang

J. Semicond. 2019, 40(9), 091002

doi: 10.1088/1674-4926/40/9/091002

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3. 利用第一性原理计算半导体点缺陷非辐射衰减率的新进展

美国劳伦斯伯克利国家实验室汪林望教授简要概述了半导体中点缺陷非辐射衰减率计算的一些新进展。本文简要回顾了使用不同方式来计算多声子过程的争论和联系，并将黄方程与高温极限下的马库斯理论公式联系起来，指出黄方程为马库斯理论公式中声子诱导的电子耦合常数提供了解析表达式。此外，本文还讨论了一维方程在处理电子跃迁过程中的有效性，并列出了一些修正非简谐效应的实用方法。

图1. 初始电子态ψi（r，R）和最终电子态ψj（r，R）的声子自由度的能量示意图。

Some recent advances in ab initio calculations of nonradiative decay rates of point defects in semiconductors

Linwang Wang

J. Semicond. 2019, 40(9), 091101

doi: 10.1088/1674-4926/40/9/091101

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4. Huang-Rhys理论在半导体光谱学中的应用

北卡罗来纳大学夏洛特分校电子与计算机工程系张勇教授简要回顾了Huang-Rhys理论和Albrecht's理论，并讨论了它们之间的联系和应用。Huang-Rhys理论是光学跃迁的一阶微扰理论，用于解释局部缺陷或杂质中心的吸收和发射，并强调晶格弛豫或由于电子-声子耦合引起的混合振动状态。耦合强度由Huang-Rhys因子描述。Albrecht's理论是拉曼散射光学跃迁的二阶微扰理论，且原则上可以包含电子态和振动态的电子-声子耦合。以上这两种理论可以通过晶格弛豫-与不同电子态相关的非正交振动态的共同作用而相互关联。

由于这种连接，Albrecht's理论常用于解释体半导体中LO声子的共振拉曼散射，并进一步用于描述半导体纳米结构中电子-声子耦合或Huang-Rhys因子的尺寸依赖性。具体而言，由于误解了自由激子可能具有的强烈晶格弛豫现象，因此文献中常引用Albrecht'+++++++s理论中的A项来描述体半导体和纳米结构半导体中的多LO-声子共振拉曼峰。没有晶格弛豫，A项将产生瑞利或弹性散射。晶格弛豫仅对高度局域的缺陷或杂质态很重要，而对于体半导体中的单粒子态或自由激子态以及非极小半导体纳米结构中的受限态实际上作用为零。

图1. 坐标模型示意图（a）考虑晶格弛豫之前和之后的能级。（b）驰豫后坐标系中的跃迁能量。

Applications of Huang–Rhys theory in semiconductor optical spectroscopy

Yong Zhang

J. Semicond. 2019, 40(9), 091102

doi: 10.1088/1674-4926/40/9/091102

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5. 基于p-BP/n-ReS₂异质结的宽带偏振光电探测器

光电探测器是一种将光子转化为电信号的光电器件，它作为核心结构广泛应用在视频成像、光通信、夜视、遥感、生物医学成像等领域。相比于传统薄膜半导体材料(硅(Si)、铟镓砷(InGaAs)、碲镉汞、锑化铟等)，二维材料具有诸多优势。首先，二维材料具有更广泛的禁带宽度分布范围(0~ 6 eV)，其光敏感范围覆盖紫外光、可见光、红外光甚至太赫兹波段。其次，二维材料原子级的厚度使得他们表现出优异的机械柔韧性，更适用于可穿戴柔性电子器件。最后，二维材料表面没有悬挂键并且层间通过范德瓦尔斯相互作用结合，因此我们可以堆叠不同的二维材料形成范德华异质结构，而不需要考虑晶格不匹配的问题。多层范德华结构使具有更多优异性质的多功能光电探测器成为可能。

黑磷具有层数依赖的电子能带结构，其块材和单层状态均表现为直接带隙，其禁带宽度分别为~0.3 eV 和~2 eV。ReS₂是直接带隙半导体材料，其禁带宽度为~1.5 eV, 禁带宽度随层数变化不大。另外，在黑磷和ReS₂等材料中存在着面内结构的各向异性，使得这类材料表现出面内各向异性的电学和光电特性，这预示着它们在偏振光探测领域的潜在应用。

中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室王开友研究员课题组制备了黑磷（BP）/二硫化铼（ReS₂）异质结的偏振光电探测器，它具有II型能带结构，这可以有效减小暗电流，并提高光生载流子抽取效率。我们系统研究了BP/ReS₂异质结器件的光响应和偏振敏感光电流随入射光功率和波长的变化。基于该异质结器件，我们实现了从可见至近红外（400 nm -1800 nm）宽光谱探测，并且该异质结构展现了良好的从可见至近红外偏振光探测。不仅如此，该异质结构表现出周期性可重复的光开关特性。这些优异的性质证明范德华异质结构是实现宽谱偏振光探测的有效途径。

图.（a）BP/ReS₂异质结的光学图片；（b）器件的光响应波长范围，插图为器件结构示意图；（c）器件对不同波长入射光的开关性能测试；（d）器件光电流值随入射光偏振方向的变化图，入射光波长为1750 nm。

Broadband polarized photodetector based on p-BP/n-ReS₂ heterojunction

Wenkai Zhu, Xia Wei, Faguang Yan, Quanshan Lv, Ce Hu and Kaiyou Wang

J. Semicond. 2019, 40(9), 092001

doi: 10.1088/1674-4926/40/9/092001

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6. 铁电辅助下的无栅MOS₂光电晶体管

在过去的几十年中，过渡金属二硫化物（TMDs）因其在光电探测中的独特性质而受到特别关注。作为TMD的一个重要成员，MoS₂本身或与其他材料如石墨烯、离子液体和铁电材料结合已被用于制成光电探测器。

中国科学院上海技术物理研究所胡伟达教授、王建禄教授等报道了一种与有机铁电材料聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）（P（VDF-TrFE））相结合的无栅极MoS₂光电晶体管。该器件中，P（VDF-TrFE）中的残余极化场是由具有正偏压或负偏压的压电力显微镜（PFM）探头引入的，该极化场可以将偶极子从无序调整为具有相同方向的状态。因此MoS₂隧道分别可以保持在向下偏振场调制的累积状态和向上偏振场调制的耗尽状态。此外，P（VDF-TrFE）使MoS₂与周围的氧和水分子分离，从而使得表面更洁净。作为光电探测器，该器件实现了10^-11A的超低暗电流，大于10⁴的开关比以及120 μs的快速光响应时间。本文提供了一种制造高性能光电晶体管的新方法，该光电晶体管可以在没有栅电极的情况下工作，具有超低功耗应用的巨大潜力。

图1. PFM对50 nm厚P（VDF-TrFE）薄膜的铁电极化切换。（a）P（VDF-TrFE）极化切换的操作示意图，其中PFM探针施加正或负电压。（b）切换过程中的PFM振幅（红色）和相位（黑色）磁滞回线，比例尺为10μm。（c）在写入具有反向DC偏压的半个半矩形图案之后，P（VDF-TrFE）膜的幅度信号和（d）相位信号，比例尺为10μm。

A gate-free MoS₂ phototransistor assisted by ferroelectrics

Shuaiqin Wu, Guangjian Wu, Xudong Wang, Yan Chen, Tie Lin, Hong Shen, Weida Hu, Xiangjian Meng, Jianlu Wang and Junhao Chu

J. Semicond. 2019, 40(9), 092002

doi: 10.1088/1674-4926/40/9/092002

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7. 第一性原理对SnO₂带隙值的新探索

近年来，SnO₂常被用来替代TiO₂作为各类太阳能电池的窗口层，这是由于实验测得的SnO₂的导带底位置比TiO₂低了约0.4 eV，更加有利于电子的传输，从而提升了太阳能电池的转换效率。结合已报道的SnO₂和TiO₂各自的带隙值（3.65 eV和3.03 eV），容易推断出两者的价带顶带偏高达1.02 eV，这对于同为金红石结构，且价带顶都主要是由O 2p轨道组成的两种材料来说视乎不合常理。

图1. SnO₂和TiO₂的能带和带偏示意图，图中TiO₂的带隙值取为实验值3.03 eV。(a)图中，SnO₂的带隙值和导带带偏值均取已报道的数值；而(b)图中，SnO₂的带隙值、导带带偏值和价带带偏值均为HSE06杂化泛函理论计算值。

针对上述问题，北京计算科学研究中心材料与能源研究部的魏苏淮团队利用第一性原理计算做了有益探索。论文首先计算了SnO₂和TiO₂两种材料的电子结构并通过构造SnO₂/ TiO₂超晶格的方法计算了两者的带偏。计算结果发现：SnO₂与TiO₂的导带底带偏为0.45 eV，与实验测量值相吻合；而两者的价带顶带偏为0.38 eV，遵守了共阴离子规则。然而，计算得到的 ~3.0 eV的SnO₂带隙值明显小于实验所得的低温光学带隙值3.7 eV。紧接着，作者对SnO₂的能带结构和能带波函数进行研究，发现其价带顶和导带底均为偶宇称，根据宇称跃迁规则，两者间的电偶极跃迁是禁止的，而比价带顶能量低0.7 eV的价带到导带底的跃迁几率极大。因而作者推测SnO₂的基础带隙应该为3.0 eV，比实验测得的光学带隙小了大约0.7 eV。为了验证这一推测，他们利用多种计算方法对SnO₂和TiO₂的带隙值进行了对比计算。考虑到SnO₂和TiO₂具有不同的导带底组成成分，他们也计算了一系列与SnO₂的导带底和价带顶的组成成分类似的氧化物，包括ZnO、CdO、Ga₂O₃、In₂O₃和GeO₂。通过详细的研究分析，作者认为SnO₂的基础带隙应约为3.0 eV，而不是光学带隙3.65 eV。这一研究工作可以很好的解释SnO₂和TiO₂的实验带偏值及其他相关实验现象，同时作者希望有进一步的实验研究对其进行验证。

该论文通过第一性原理对SnO₂的能带结构和光学特性做了新探索，为研究和确定光电材料的带隙值提供了可借鉴的重要思路，也在后续光电材料的理论研究与设计中具有参考和指导价值。

Revisit of the band gaps of rutile SnO₂ and TiO₂: a first-principles study

Xuefen Cai, Peng Zhang and Su-Huai Wei

J. Semicond. 2019, 40(9), 092101

doi: 10.1088/1674-4926/40/9/092101

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8. (Ga,Mn)As超薄膜居里温度的大幅度调控

稀磁半导体兼具半导体和铁磁性材料的特性，有望在一种材料中实现信息存储和处理功能的集成。作为其中的典型代表，(Ga,Mn)As在过去的二十多年里得到了人们的广泛关注，令人振奋的研究结果层出不穷，部分新发现迅速在磁性金属中得到了验证。特别地，由于(Ga,Mn)As的铁磁性与载流子浓度相关，从而将电荷与自旋关联起来，使电场调控磁性成为了现实。

利用电场而非磁场或电流对材料的磁性质进行调控优势显著，主要体现为两方面：(1) 电场的施加过程主要涉及的是电容的充放电，因此能耗较低；(2) 电场调控器件在结构上与场效应晶体管器件类似，兼容性较好。然而，由于(Ga,Mn)As载流子浓度较高（通常在10¹⁹-10²¹ cm^-3量级）且在厚度小于5 nm时趋于绝缘，极大限制了电场对其磁性质的调控能力。利用高k电介质、离子液体或强极性有机分子可在一定程度上扩展磁性的调控范围，但仍无法在更宽的温区实现完全退磁。那么是否可能进一步拓宽电场对(Ga,Mn)As磁性的调控范围呢？

本工作中，中科院半导体所半导体超晶格国家重点实验室赵建华团队的王海龙副研究员等通过改变缓冲层的导电特性，发现界面附近空穴载流子的部分耗尽与(Ga,Mn)As薄膜的导电能力紧密相关。如图(a)所示，以n-GaAs为缓冲层时，(Ga,Mn)As薄膜导电能力较差，在低温下绝缘；而以重掺杂p-GaAs为缓冲层时，(Ga,Mn)As薄膜的导电能力较强，在低温下仍然导电。基于此，他们成功制备出了厚度约为2 nm的金属相(Ga,Mn)As超薄膜，样品的R-T曲线（电阻随温度的变化曲线）在居里温度附近存在一个峰值。利用离子液体作为电介质施加电场，他们在名义Mn含量约为11%的样品中观察到了居里温度的显著变化，调控幅度约为56 K，如图(b)所示。对于名义Mn含量约为8%的样品，空穴的耗尽使得样品在低温下趋于绝缘（见图(c)中黑色曲线），考虑到电场在垂直薄膜表面方向均匀耗尽载流子，该结果表明居里温度的调控幅度高达115 K，并且在宽温区范围内实现了(Ga,Mn)As薄膜的退磁。

上述居里温度的调控幅度比已有的报道数值高4倍以上，充分证实了减小(Ga,Mn)As薄膜厚度在提高电控磁效应幅度的重要性，而通过抑制界面附近空穴载流子的耗尽则能有效避免(Ga,Mn)As超薄膜趋于绝缘状态。该工作通过对界面载流子浓度的控制，首次制备出了金属相的(Ga,Mn)As超薄膜，为实现稀磁半导体磁性质的有效电场调控提供了新思路。

图1 (a) 样品结构示意图，其中p-GaAs有效抑制了(Ga,Mn)As超薄膜中空穴载流子的耗尽；(b) (Ga,Mn)As超薄膜样品(Mn含量约为11%)在不同栅压下的R-T曲线，表明居里温度的在92 K-148 K范围内改变，变化幅度高达56 K；(c) (Ga,Mn)As超薄膜样品(Mn含量约为8%)在不同栅压下的R-T曲线，其中黑线表明样品在低温下进入绝缘状态，间接表明利用电场实现了完全退磁。

Giant modulation of magnetism in (Ga,Mn)As ultrathin films via electric field

Hailong Wang, Jialin Ma and Jianhua Zhao

J. Semicond. 2019, 40(9), 092501

doi: 10.1088/1674-4926/40/9/092501

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