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【中文导读】半导体学报2020年第12期
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研究论文
1.
快速热退火对自组织InAs/GaAs量子点光学性质的影响
为了有效调控InAs/GaAs量子点材料的发光特性，中科院半导体研究所金鹏研究员和陕西科技大学马淑芳教授等对MBE生长的自组织InAs/GaAs量子点材料进行快速热退火（RTA）处理，并采用变温PL方法对其光学性能进行表征，研究了快速热退火对自组织InAs/GaAs量子点样品光学性质的影响。研究发现，InAs/GaAs量子点PL峰位的蓝移与RTA导致的量子点与GaAs势垒层之间应变的降低以及In、Ga原子的相互扩散有关。而且，通过RTA技术可以有效拓宽InAs/GaAs量子点的光谱宽度。
图1. InAs/GaAs量子点样品外延结构示意图。
Dandan Ning, Yanan Chen, Xinkun Li, Dechun Liang, Shufang Ma, Peng Jin, Zhanguo Wang
J. Semicond. 2020, 41(12): 122101
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122101
2.
22 nm体硅FinFET总剂量效应对热载流子效应影响
随着航天器应用于多领域，要求其更加智能化、信息吞吐量增大、信息传输速度提高，以FinFET制作的集成电路应用在空间环境中，能够满足空间航天器发展智能化、小型化、轻量化的要求，因此具有广阔的空间应用前景。
但是，作为目前集成电路的主流器件结构，FinFET鳍之间存在着大量STI氧化物，其中能积累大量陷阱电荷，与平面结构器件陷阱电荷主要产生部位不同，总剂量效应机理复杂。目前，FinFET的总剂量效应研究还不完善。同时，FinFET内部电场较强，沟道内能产生大量热载流子，热载流子向栅极运动产生缺陷，对器件性能产生影响，存在热载流子效应这一常规可靠性问题。总剂量效应与热载流子效应作用部位、机理具有相似性，随着器件尺寸降低，其相互作用不可忽视。
中国科学院新疆理化技术研究所崔江维研究员指导开展了22 nm体硅FinFET总剂量效应对热载流子效应影响的研究，指出当鳍数增加，器件阈值电压和饱和电流退化减小，热载流子效应减弱，原因为受鳍间耦合效应的影响。总剂量辐照减弱体硅FinFET的热载流子效应。
图1. 对于不同辐照偏置及未辐照器件，饱和电流随应力时间的退化。
由于总剂量效应决定着空间中元器件的使用寿命，因此研究 FinFET 的总剂量效应对于FinFET 的器件抗辐射能力准确评估、器件加固设计、空间应用具有重要的意义。由于电路及系统的可靠性是由器件可靠性决定的，星用器件具有高可靠性要求，因此研究 FinFET 的热载流子可靠性对其空间可靠应用具有重要意义。总剂量效应与热载流子可靠性共同作用产生更为复杂的损伤机制，深入研究 FinFET 总剂量效应与热载流子可靠性退化之间的相互作用，能够为 FinFET 实际的空间可靠应用提供参考依据。
The influence of total ionizing dose on the hot carrier injection of 22 nm bulk nFinFET
Baoshun Wang, Jiangwei Cui, Qi Guo, Qiwen Zheng, Ying Wei, Shanxue Xi
J. Semicond. 2020, 41(12): 122102
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122102
3.
相变材料Ta-Sb2Te3的ICP刻蚀工艺与机理研究
感应耦合等离子体(ICP) 刻蚀技术作为半导体加工工艺中的一种重要加工方法，由于其控制精度高、刻蚀均匀性好、刻蚀垂直度好、污染少和刻蚀表面平整光滑等优点常用于刻蚀高深宽比结构，在半导体工业中获得越来越多的应用。ICP刻蚀采用侧壁钝化技术，沉积与刻蚀交替进行，各向异性刻蚀效果好，在精确控制线宽的下能刻蚀出高深宽比形貌。其基本原理是：首先在侧壁上沉积一层聚合物钝化膜，再将聚合物和硅同时进行刻蚀。在这个循环中通过刻蚀和沉积间的平衡控制来得到精确的各向异性刻蚀效果。
在PCM器件加工过程中，含氟等离子体刻蚀硅表面过程中包含大量复杂的物理和化学反应。在利用ICP 对相变材料层加工时，往往需要做大量的前期工作来优化刻蚀工艺。中国科学院上海微系统与信息技术研究所宋三年研究员等长期致力于相变材料与加工工艺开发。本文针对新型相变材Ta-Sb2Te3开展刻蚀工艺研究，主要探讨刻蚀参数对材料形貌、组分等的影响，相关刻蚀机理也做了初步的分析。通过扫描电子显微镜（SEM）研究了侧壁形貌；通过X射线衍射表征了该薄膜的结构性能。通过X射线光电子能谱分析了刻蚀后薄膜表明的化学键结合信息。结果表明，在指定的工艺条件下可以达到侧壁形貌好、垂直度较高的结果。这对与实现PCM工艺集成和工程化应用具有一定的参考意义。
图1. 样品在ICP刻蚀前后的X射线衍射测试曲线。
Yongkang Xu, Sannian Song, Wencheng Fang, Chengxing Li, Zhitang Song
J. Semicond. 2020, 41(12): 122103
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122103
4.
不同共轭π桥的小分子给体：材料合成及光伏电池性能的研究
有机太阳能电池具有成本低、质量轻、可以溶液法进行大面积加工等优点，引起了科学领域的广泛关注。得益于非富勒烯受体的发展，使得有机太阳能电池的短路电流及光电转化效率得到了大幅度的提升，然而如何提高器件的开路电压，进而提升器件的光电转化效率，成为了下一个研究热点。
基于经典的A-π-D-π-A型有机小分子给体，中国科学院重庆绿色智能技术研究院陆仕荣、肖泽云研究团队（文章第一作者为董西悦）设计合成出三种π桥共轭度不同的小分子给体材料B-T-CN，B-TT-CN，B-DTT-CN，系统分析了π桥的共轭度对其光电性能和相分离形貌的影响规律，并显著提升电池的开路电压（从0.90 V提高到0.96 V）。研究表明：增加π桥的共轭度，能有效拉深A-π-D-π-A型小分子给体的HOMO能级，从而提升电池的开路电压。然而，当π桥的共轭度增加时，给体分子的相分离界面变多，双分子复合及陷阱复合更明显，从而降低了填充因子、短路电流和电池效率。
该工作为提高全小分子有机太阳能电池提出了一种新型的提高开路电压的策略。我们相信，通过对小分子给体材料的不断创新与探究，有望开发出相分离形貌可与聚合物相媲美的小分子给体材料，从而制备出效率与聚合物太阳能电池相当的全小分子太阳能电池，为实现高效有机太阳能电池的规模化制备奠定材料基础。
Xiyue Dong, Dingqin Hu, Pengyu Chen, Xuexin Dai, Chao Hu, Zeyun Xiao, Shirong Lu
J. Semicond. 2020, 41(12): 122201
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122201
5.
基于不对称手性超材料的圆偏振光探测器
圆偏振光探测器在通信领域和生物医学诊断领域具有重要的应用价值。我们知道，圆偏振光按照旋向可以分为左旋圆偏振光和右旋圆偏振光。传统方式对圆偏振光的鉴别需要组合多个光学组件，这样的方式成本高昂且难以集成化。因此，有研究者提出利用手性超材料的特殊性质（如圆二色性）设计圆偏振光探测器。目前，这类圆偏振光探测器主要通过提高光电流来提升光探测器的性能，光电流的提升面临一定的瓶颈，使探测器的性能无法继续提高。
湖南大学彭伟教授课题组提出了一种基于不对称手性超材料的圆偏振光探测器，利用圆偏振光对不同手性超材料存在的偏振敏感差异性，设计出叉指结构，使不同旋向的圆偏振光在照射到器件上时，会产生不同方向的光电流。依靠这一特性，可以区分出圆偏振光的旋向。理论上，无须添加额外的电源就能形成了光电流，并通过探测响应电流的方向就能区分出是左旋圆偏振光，还是右旋圆偏振光。
如图所示，我们通过灵敏电流表指针的偏转方向就能判断光响应电流方向，从而实现圆偏振光的探测(实际应用中，灵敏电流表可通过后级电路来实现）。由于该器件中包含了左手性纳米天线和右手性纳米天线。因此，光探测器可以对不同旋向的圆偏振光进行选择性吸收，从而形成两个方向相反的的电流。即当左旋圆偏振光入射时，左手性超材料吸收大量的光子，并形成光电流，此时光电流从左手性超材料流向右手性超材料，灵敏电流表向右偏转（如图蓝色指针）。反之，当右旋圆偏振光入射时，电流从右手性超材料流向左手性材料，灵敏电流表向左偏转（如图红色指针）。
这种圆偏振光探测器基于硅工艺，可以集成到各类集成电路芯片，有望广泛应用到光通信领域。这种利用不同方向的光电流来判断圆偏振光的旋向的光探测器件，为实现圆偏振光探测器件的的小型化与集成化提供了全新的思路。
Self-powered circularly polarized light detector based on asymmetric chiral metamaterials
Zhihua Yin, Xuemeng Hu, Jianping Zeng, Yun Zeng, Wei Peng
J. Semicond. 2020, 41(12): 122301
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122301
6.
采用前台校准技术与残差电压控制技术的16位精度1MSPS SAR ADC
在16位精度1MSPS SAR ADC的设计过程中，创新性的提出了校准策略与稳定性优化策略，从而实现在CMOS工艺下的极低功耗高精度SAR ADC电路与芯片。
中国科学院半导体研究所高性能芯片研究组曹晓东研究员等设计开发了一款16位1MSPS的SAR ADC，为了获得更高的性能和更低的成本，研究组开发人员设计了一种片上全数字前台校准技术，从而获得更高性能的同时极大地降低了芯片成本。所研芯片采用0.25 μm CMOS工艺实现，芯片面积2.7 mm * 2.4 mm。
所研芯片可用于医疗仪器、脑电信号转换、可穿戴设备、可嵌入式测量等重要应用场景。
图1. 芯片内部结构框图。
A 16-bit 1 MSPS SAR ADC with foreground calibration and residual voltage shift strategy
Xian Zhang, Xiaodong Cao, Xuelian Zhang
J. Semicond. 2020, 41(12): 122401
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122401
7.
可见到红外探测且平坦响应的IV族p-i-n光电探测器的设计研究
宽谱光电探测器在众多领域具有重要的应用，逐渐引起人们的广泛关注。近年来人们在宽谱光电探测器的研究上做出了很多努力，包括探寻新材料新结构等，但是在拓宽探测范围、提高探测性能以及材料和器件的制备上依然有许多值得探讨和深化的工作。
厦门大学物理科学与技术学院陈松岩教授课题组在理论上基于硅基的外延生长和退火工艺设计了一个全IV族的p-i-n光电探测器，通过用SiGe层增强Vis光信号的吸收和用Ge0.9Sn0.1层增强IR光信号的吸收，调节层厚得到具有平坦响应的宽谱光电探测器。在700至1800 nm的范围内，响应度维持在约0.57 A/W，涵盖了三个通信频段，这对简化后续电路和提高检测系统的精度有很大帮助。光电探测器的吸收截止波长约为2300 nm，在理论优化后可实现3 V反向偏压下0.17 mA/cm2的低暗电流密度。此外，该器件的制备工艺与硅基CMOS处理技术兼容，显示出在低成本硅基光电子中的巨大应用潜力。
Jinyong Wu, Donglin Huang, Yujie Ye, Jianyuan Wang, Wei Huang, Cheng Li, Songyan Chen, Shaoying Ke
J. Semicond. 2020, 41(12): 122402
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122402
8.
抗辐射0.18 μm体硅CMOS工艺ESD保护器件GGNMOS设计
抗辐射加固体硅CMOS工艺技术采用外延层技术，提高了SEL（单事件锁存）的LET阈值。导致阱电阻减小，GGNMOS在漏体击穿后横向电流无法提供足够的源体电压差，无法充分激活横向寄生npn效应，基于原有ESD设计规则的GGNMOS器件不能均匀触发多指放电，ESD电流不能完全释放，触发的手指因过热而过早烧毁，致使GGNMOS器件ESD性能下降到2000 V以下。
中国电子科技集团第五十八研究所于宗光研究员等通过研究GGNMOS器件在ESD事件中的工作机理，优化了GGNMOS器件的击穿电压、保持电压、内阻等参数。通过器件仿真、工艺实验、TLP测试验证和电路ESD性能评估，完成了基于外延片的抗辐射0.18 μm体硅CMOS工艺ESD保护器件GGNMOS的研制与验证。在不增加工艺步骤的情况下，GGNMOS器件的ESD性能可以达到HBM3500 V，该器件具有面积小、鲁棒性好、泄漏特性好、抗辐射强度高等优点。成果的创新之处是在原GGNMOS器件的基础上增加了漏端下方n型阻挡区域（下图中“3”表示），并将n型阻挡区域按照特定排列在GGNMOS的P阱中，优化多指均匀触发的条件，提高ESD放电性能。
该GGNMOS器件的结构设计和工艺方法，可形成设计指南，应用于抗辐射体硅CMOS工艺中片上ESD器件设计与应用环节，能够较系统的指导抗辐射工艺GGNMOS器件的研发。
Design of GGNMOS ESD protection device for radiation-hardened 0.18 μm CMOS process
Jianwei Wu, Zongguang Yu, Genshen Hong, Rubin Xie
J. Semicond. 2020, 41(12): 122403
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122403
9.
卤化钙钛矿中缺陷诱导室温铁磁性
长程自旋有序的铁磁半导体是构建自旋电子器件的关键。近年来，一些与自旋轨道耦合相关的现象在卤化钙钛矿（LHPs）中相继被发现，这些现象表明LHPs在自旋电子学中具有极大的应用潜力。然而，LHPs的浅能级卤素空位能否产生长程自旋有序仍有待研究。
南京理工大学材料学院曾海波教授和陈喜副教授等研究了在名义上非磁性的LHP半导体（包括CsPbCl3、CsPbBr3、CsPbI3和CH3NH3PbBr3）中空位诱导的d0铁磁性。第一性原理计算表明空位诱导的铁磁性来自于卤化物空位产生的自旋劈裂。实验表明d0铁磁性可以在远高于300 K的温度下稳定存在，并且可以通过掺杂3d离子显著增强。相关实验结果可以用基于交换耦合的磁极化子的模型来描述。此外其他3d磁性离子掺杂LHPs中也发现了室温铁磁性的现象，这表明空位和空位的耦合导致的铁磁性可能是溶液法制备LHPs材料的一个普遍特征，有望在未来的自旋电子器件中得到使用。
图1. 磁极化子模型和掺杂诱导铁磁性增强原理图。
Prediction and observation of defect-induced room-temperature ferromagnetism in halide perovskites
Zhiguo Sun, Bo Cai, Xi Chen, Wenxian Wei, Xiaoming Li, Dandan Yang, Cuifang Meng, Ye Wu, Haibo Zeng
J. Semicond. 2020, 41(12): 122501
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122501
10.
一种反铁磁二维材料：单层CrI2
统计力学的Wigner-Mermin定理预言各向同性的低维体系（d≦2）不具备非零温的磁长程序，随着二维材料研究的逐渐深入，人们突破了这一固有观念。近年来相继报道的二维材料，由于其中磁性原子带来的磁晶各向异性，使人们得以在原子厚度的材料中发现稳定的长程磁有序。这些材料大多单层呈现铁磁序，而层间体现反铁磁序，以致于随着层数的增加，相应的体材料不再表现出净磁矩。
最近，重庆邮电大学朱家骥教授团队发现了一类新奇的二维磁性材料CrX2（X为卤族元素），此类材料在体材料情况下呈现铁磁性质，但在单层极限中，材料倾向于保持1T相的晶格结构，其基态为反铁磁序，且在少层情形下，其层间耦合仍然为反铁磁。基于第一性原理计算，他们详细研究了不同层厚材料的电子结构和磁序。这种明显相悖于其他材料的磁序仍待后续理论与实验工作加以研究、证明。
同时由于CrX2材料与目前成熟二维铁磁材料CrX3互为同质异形体，且具有相似的晶格对称性，可用于范德瓦尔斯自旋电子原型器件的设计。范德瓦尔斯自旋电子学器件具有柔性、易制备的天然优点，丰富其材料单元基因库尤为重要。随着近年来反铁磁学研究的长足进步，反铁磁材料成为高密度存储器件与高速低功耗器件的关键因素。单层反铁磁材料相比层间反铁磁序，更为稳定，且不受柔性环境应力影响。
基于CrX2材料的特异磁性及其可能的潜在应用，我们相信其势必引起相关方向研究者的兴趣。
图1. CrI2 (a) AA-FM, (b) AA-AFM-a, (c) AA-AFM-f, (d) AB-FM, (e) AB-AFM-a和(f) AB-AFM-f电子结构、总自旋态密度和自旋空间图。
An antiferromagnetic two-dimensional material: Chromium diiodides monolayer
Jingjing Zhang, Jin Yang, Liangzhong Lin, Jiaji Zhu
J. Semicond. 2020, 41(12): 122502
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122502
11.
高温退火和激光辐照对磷活化率的影响
众所周知，杂质在半导体材料和器件中起着至关重要的作用。杂质原子在半导体中有两种存在形式：替位和间隙，前者为杂质原子占据晶格位置，并电离激活，成为导电电子或空穴，从而形成半导体器件功能。后者为杂质原子占据间隙位置，成为点缺陷，是载流子复合中心，不利于半导体器件的运行。
中国科学院半导体研究所韩培德研究员等采用热退火工艺和激光辐照技术来研究离子注入硅表层后的激活状况，通过优化准稳态（热退火）和非稳态（飞秒激光辐照）掺杂的工艺参数，提高硅表层中磷杂质原子的激活率。这里对掺杂激活率进行了定义，即样品表层激活杂质原子面密度与掺入杂质总面密度之比，具体方法是采用电化学电容-电压法（ECV）测试激活杂质原子浓度随深度的分布，采用二次离子质谱（SIMS）测试掺杂杂质原子浓度随深度的分布，将两曲线分别积分，获得各自的面密度，再进行百分比。
本文对硅衬底样品表层进行磷离子注入，在不同温度下进行热退火实验、热退火+激光辐照实验，该实验结果表明磷杂质原子的激活率在850 °C退火温度条件下为最高，达到67％。热退火后的样品进行飞秒激光辐照实验，在保持晶硅表面无损伤的条件下，飞秒激光能流密度为0.65 kJ/cm2时，激活率最高，激活率从热退火后的67％增加到74.81％。
图1. 不同温度下的RBS图像。
Effects of high temperature annealing and laser irradiation on activation rate of phosphorus
Shaojie Li, Peide Han
J. Semicond. 2020, 41(12): 122701
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122701
12.
单晶和多晶金刚石场效应晶体管性能研究
金刚石因其超宽的禁带宽度，超高击穿场强、高热导率、良好的电性能成为下一代高频大功率器件的理想候选材料；但目前受限于单晶金刚石材料质量和器件工艺不成熟等问题，金刚石场效应晶体管器件的性能远低于预期.
中国电子科技集团公司第十三研究所专用集成电路重点实验室冯志红研究员、蔚翠研究员课题组，对比研究了杂质和缺陷含量对单晶和多晶金刚石场效应晶体管的性能影响，通过材料测试表征、器件直流和射频性能测试，发现材料中杂质和缺陷会导致金刚石晶体管表现出更显著的漏延迟效应，影响器件的输出功率密度。
本文的研究表明如何抑制金刚石材料中缺陷和杂质对金刚石晶体管性能提升至关重要。
Performance of hydrogenated diamond field-effect transistors on single and polycrystalline diamond
Rui Zhou, Cui Yu, Chuangjie Zhou, Jianchao Guo, Zezhao He, Yanfeng Wang, Feng Qiu, Hongxing Wang, Shujun Cai, Zhihong Feng
J. Semicond. 2020, 41(12): 122801
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122801
13.
不同溅射条件下高温退火AlN/蓝宝石模板结晶质量的综合研究
高质量的AlN材料是制备高性能紫外发光器件的关键。但是在蓝宝石衬底上外延的AlN材料往往位错密度很高，进一步降低AlN模板的位错密度至关重要。
中科院半导体所照明研发中心闫建昌研究员课题组采用溅射和高温退火技术路线，研究了溅射条件对退火AlN晶体质量的影响，最终获得了高质量的AlN模板，其（002）和（102）面XRC半高宽分别降低为97.2 and 259.2 arcsec。同时，本文提出溅射AlN的空位浓度影响高温退火的位错湮灭机制。本文表明溅射和高温退火技术路线在制备高质量AlN模板和高效紫外发光器件的应用潜力。
Wen Gu, Zhibin Liu, Yanan Guo, Xiaodong Wang, Xiaolong Jia, Xingfang Liu, Yiping Zeng, Junxi Wang, Jinmin Li, Jianchang Yan
J. Semicond. 2020, 41(12): 122802
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122802
14.
p型NiO袋基β-Ga2O3/黑磷异质结MOSFET的射频性能
印度Madan Mohan Malaviya University of Technology的Narendra Yadava等研究了p型NiO袋基β-Ga2O3/黑磷异质结MOSFET的射频性能。器件性能评价的关键指标包括跨导（gm）、栅相关本征电容（Cgd和Cgs）、截止频率（fT）、增益带宽（GBW）乘积和输出电导（gd）。同样，本文也研究了功率增益（Gp）、功率附加效率（PAE）和输出功率（POUT）在大信号连续波（CW）射频性能评估中的应用。其目的是改善β-Ga2O3 MOS器件的性能，同时降低功率损耗和器件相关漏电。为了说明所设计的器件在射频应用中的适用性，对其射频FOMs进行了分析。与NiO-GO MOSFET相比，由于β-Ga2O3沟道区下方超薄黑磷层的轮廓特征，该器件的fT提高了1.09倍，Cgs降低了0.7倍，Gp提高了3.27 dB。结果表明，所设计的NiO-GO/BP MOSFET具有较好的射频性能，同时具有较高的功率增益和较低的漏电流。
图1. （a）P型NiO袋基β-Ga2O3 MOSFET。（b）P型NiO袋基β-Ga2O3/黑磷异质结MOSFET。
Narendra Yadava, Shivangi Mani, R. K. Chauhan
J. Semicond. 2020, 41(12): 122803
doi: 10.1088/1674-4926/41/12/122803
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