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半导体学报2021年第5期——中文导读

已有 2499 次阅读 2021-5-20 09:41 |系统分类:论文交流

综述文章

基于非石墨烯二维材料的表面增强拉曼光谱综述

表面增强拉曼光谱（SERS）是一项可以将分子拉曼信号增大几个数量级的高灵敏光谱技术。自19世纪70年代被首次发现后，SERS获得了广泛的研究，并应用于生物化学分子检测、疾病诊断、环境监测、爆炸物检测、痕量材料分析、食品安全、法医检验等众多领域。通常，SERS技术通过“电磁机制”进行分子拉曼信号增强（如图1(a)），需要在贵金属材料等离子体纳米结构中的“热点”附近探测拉曼光谱，其增强因子可以高达10¹⁴倍，但此项技术在信号可重复性、生物样品适用性等方面面临一定的挑战。因此，寻求新的拉曼增强材料、探索新的拉曼增强机理、开发新的拉曼增强技术一直是科研工作者的关注重点。自2009年以来，以石墨烯为代表的二维材料获得了广泛的关注，与此同时，基于二维材料的SERS也成为了一个新兴的研究方向。相比贵金属材料等离子体纳米结构，二维材料利用“化学机制”进行分子拉曼信号增强（如图1(b)），具有荧光粹灭能力强、信号重复性好、生物样品适用范围广等优点，是近年来的研究热点。

图 1. SERS机制。(a) 电磁增强机制；(b) 化学增强机制。

在本论文中，天津大学刘铁根教授课题组的程振洲教授和胡浩丰教授等人综述了基于非石墨烯二维材料的SERS研究进展和前沿应用成果（图2）。首先，他们介绍了“电磁增强”和“化学增强”两种SERS机制；然后，比较了过渡金属硫化物（TMDs）、黑磷（BP）、氮化硼（h-BN）和过渡金属碳化物或碳氮化物（MXenes）等五种二维材料的物理化学性质，并归纳总结了上述五种二维材料及其异质结在SERS方面的研究历史和前沿进展；最后，从增强机制、材料调控、器件开发、应用拓展等方面对基于二维材料的SERS技术进行了前瞻性展望。

图 2. 基于石墨烯以外的二维材料SERS研究总结。

总之，二维材料在SERS的研究方面还处于起步阶段，拉曼增强机理、信号增强效果和样品检测范围有待进一步探索和提高，在实际应用方面还存在着广阔的发展空间。本综述论文系统总结了非石墨烯的二维材料在SERS领域的研究进展，从基本原理、材料的结构与性质、拉曼信号增强效果、研究前景等多个方面进行了系统的分析和总结，为二维材料、拉曼光谱、纳米技术和光谱检测应用等领域的科研工作者提供专业详尽的参考资料。

Surface-enhanced Raman spectroscopy chips based on two-dimensional materials beyond graphene

Enqing Zhang, Zhengkun Xing, Dian Wan, Haoran Gao, Yingdong Han, Yisheng Gao, Haofeng Hu, Zhenzhou Cheng, Tiegen Liu

J. Semicond. 2021, 42(5): 051001

doi: 10.1088/1674-4926/42/5/051001

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GaN HEMTs 物理失效分析研究进展

过去数十年间，宽带隙半导体技术取得了显著的发展，氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMTs）在高功率和高频率应用领域中显示出了出色的性能。二维电子气（2DEG）的高电荷密度和GaN材料的宽带隙（~3.4 eV）导致GaN HEMTs具有低电阻和高功率密度。高饱和电子速度会提高GaN射频（RF）系统的开关频率，并降低其功率损耗和物理尺寸。此外，当与碳化硅（SiC）衬底结合使用时，GaN的低本征载流子浓度和SiC的高导热率可提供更高的工作温度，从而确保器件在极端环境下的工作性能。另一方面，硅衬底的高成熟度和高集成度可提供具有低成本优势的硅基GaN HEMTs。得益于上述所有出色的物理和化学特性，GaN HEMTs完全符合第五代（5G）无线通信器件和电力电子器件的主要要求，从而加速了众多应用的增长，包括功率放大器（PA）、阈值开关器件、电池充电器、功率转换器等。

在较大电流密度、较高温度和电场的工作条件下，GaN HEMTs可能会受到各种在硅或GaAs器件中未观察到的退化机制的影响。此外，由于GaN材料具有高熔点、低分解点的特点，目前获得GaN晶体的主要方法仍是异质外延。异质外延的主要衬底蓝宝石及SiC与GaN之间存在较大的晶格失配和热失配，容易导致外延层中存在较高的位错密度和残余应力。同时由于金属有机物分解等因素，GaN在生长中会引入非故意掺杂原子点缺陷，材料中的位错、残余应力以及点缺陷等会对GaN基器件带来潜在的可靠性影响。目前，GaN基器件的可靠性主要包含电学可靠性、热稳定性和抗辐照稳定性等方面。其中，电学可靠性问题对器件影响最大且关注最多。产生电学可靠性问题的常见原因主要包括逆压电效应、热电子效应、陷阱效应以及金属不稳定等等。可靠性问题会严重降低器件的综合性能，甚至导致器件不可逆失效，因此十分有必要对相关问题进行深入研究。

南京大学陆海教授课题组近年来重点开展GaN基高功率电子器件、深紫外探测器件、及新型氧化物透明薄膜晶体管研究，致力于将半导体基础研究成果推广到器件应用领域。在本文中，我们介绍了用于失效后分析的常用物理表征技术和相应的常规分析流程。对包括ESD、高电应力、高热应力、高磁场、辐射效应等不同类型的失效机制进行了综述，总结了与每种失效机制对应的失效现象，最后讨论了GaN HEMTs的优化方法，如表面钝化优化、栅凹槽深度优化、接触结构优化和几何结构优化。

与连续的可靠性退化过程相比，灾难性失效是瞬时的，很难通过常规的电学测量方法进行分析。因此，人们常常把更多的关注放在了器件的长期可靠性和性能不稳定性研究上，而忽略了对失效后器件的物理分析，但这对GaN HEMTs的可靠性改进是至关重要的。本文对近五年来的GaN HEMTs失效分析案例进行了系统性的汇总，总结了与每种失效机制对应的失效现象，最后讨论了GaN HEMTs的优化方法。这将对未来GaN HEMTs失效案例分析及后续器件优化改进提供一定的借鉴参考作用。

Recent progress of physical failure analysis of GaN HEMTs

Xiaolong Cai, Chenglin Du, Zixuan Sun, Ran Ye, Haijun Liu, Yu Zhang, Xiangyang Duan, Hai Lu

J. Semicond. 2021, 42(5): 051801

doi: 10.1088/1674-4926/42/5/051801

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研究论文

低温下GaAs二维空穴系统从Efros-Shklovskii跳跃到激活输运的转变

本文讨论了在低温零磁场条件下，绝缘相中的跳跃电导率行为。对GaAs二维空穴体系在低温下从跳跃到激活输运的转变进行了理论研究，发现在该体系中，发生了Efros-Shklovskii变程跳跃（VRH）状态到激活状态的转变。这种p-GaAs量子阱中的电导率行为与局域电子相互作用理论中的基本定律在定性上相符。在足够强的相互作用下，局域态的空穴能够发生集体跳跃。

图1. 指数p与载流子密度的关系。

A crossover from Efros–Shklovskii hopping to activated transport in a GaAs two-dimensional hole system at low temperatures

S. Dlimi, A. El kaaouachi, L. Limouny, B. A. Hammou

J. Semicond. 2021, 42(5): 052001

doi: 10.1088/1674-4926/42/5/052001

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AlN籽晶上生长AlN单晶的形貌和结晶性能研究

氮化铝（AlN）单晶是禁带宽度最大的直接带隙半导体材料（6.2 eV），具有极高的击穿场强、优异的热导率、稳定的物理和化学性质等优异特性，而且AlN单晶与GaN、AlGaN具有非常小的晶格失配和热失配，被认为是Ⅲ-Ⅴ外延材料的最佳衬底，在深紫外探测器、深紫外LED、深紫外LD和微波大功率等领域具有十分广阔的应用前景。

目前，物理气相传输法（PVT法）被认为是制备AlN体单晶的主流方式。当前制约PVT法AlN单晶生长技术发展的首要因素是高质量AlN籽晶的获取，以及AlN籽晶同质生长时生长条件与生长模式之间存在怎样的关联。

中国电科46所齐海涛超宽禁带半导体研发团队采用PVT法在自制AlN籽晶上生长了高质量AlN单晶。观察了不同生长模式下（三维岛状和单螺旋生长中心）AlN单晶的表面形貌。在优化热场结构的基础上研究发现AlN籽晶表面温度在晶体生长中起着重要作用，生长条件直接决定了晶体的生长模式。值得注意的是，在单螺旋生长中心模式下生长的AlN单晶，（002）和（102）衍射峰的半峰宽（FWHM）分别为65和36 arcsec。采用MOCVD在获得的高质量AlN单晶衬底上依次外延生长了AlN缓冲层和高Al组分Al_xGa_1-xN薄膜。AlN缓冲层的（002）和（102）衍射峰的FWHM分别为93和29 arcsec。Al_xGa_1-xN外延薄膜的Al组份为0.54，薄膜弛豫度为44.8%。上述研究结果显示了AlN单晶衬底上同质外延生长AlN和高Al组份AlGaN薄膜的优越性。

本研究将进一步指导高质量AlN单晶的制备，为国内AlGaN外延和器件单位提供优质AlN衬底，有利地推进AlGaN外延及相关器件的发展。

图1. AlN单晶的表面形貌。

Morphology and crystalline property of an AlN single crystal grown on AlN seed

Li Zhang, Haitao Qi, Hongjuan Cheng, Yuezeng Shi, Zhanpin Lai, Muchang Luo

J. Semicond. 2021, 42(5): 052101

doi: 10.1088/1674-4926/42/5/052101

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基于p-BiOCl纳米片和n-ZnO薄膜的复合异质结紫外光电探测器

紫外光电探测器是一种将紫外光辐射转化为电信号的核心探测元件，它可广泛应用于空间通讯、导弹预警和环境监测等领域。ZnO作为紫外光电探测器的有源层材料具有带隙宽（3.3 eV）、热稳定性好和制备成本低等优点，但其p型掺杂的困难却一直难以克服。

近日，复旦大学材料系的方晓生教授等人报道了一种p-BiOCl/n-ZnO异质结紫外光电探测器，利用天生呈p型导电的p-BiOCl纳米片与n-ZnO薄膜形成Ⅱ型能带结构。该器件暗态下的IV曲线体现了明显的整流特性，整流比（I_{+4 V}/I_{-4 V}）为66。此外，该异质结探测器具有较好的紫外选择特性，正负偏压下探测器的响应曲线各不相同，对应了不同的响应有源区。由于异质结耗尽区对载流子收集效率的提升，器件的响应速度相对于光电导型器件均有很大的提升。最后，该p-BiOCl/n-ZnO异质结紫外光电探测器还展示了明显的自驱动特性，体现了器件可以在无需外加偏压的条件下进行工作。本工作所开发的新型p-BiOCl/n-ZnO异质结将在紫外光电探测领域具有较好的应用潜力。

图1. p-BiOCl/n-ZnO异质结紫外光电探测器的（a）结构示意图和（b）能带示意图。

Facile fabrication of heterostructure with p-BiOCl nanoflakes and n-ZnO thin film for UV photodetectors

Longxing Su, Weixin Ouyang, Xiaosheng Fang

J. Semicond. 2021, 42(5): 052301

doi: 10.1088/1674-4926/42/5/052301

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一种包含交流电流拥挤效应的HBT小信号模型

HBT广泛应用于高速模拟、数字和混合信号集成电路，其小信号模型的准确性对集成电路的设计起着至关重要的作用。在高频范围内，交流电流拥挤效应是预测HBT器件交流性能的一个关键因素，直接影响了本征基极电容。

杭州电子科技大学射频电路与系统教育部重点实验室刘军研究员课题组提出了一种考虑交流电流拥挤效应的完整π型小信号等效电路模型的精确提取方法。该效应被建模为基极RC并联电路，采用2 μm发射极线宽，发射极面积为2×20 μm2 的GaAs HBT器件，在三种不同的偏压下验证了提取方法的可靠性。

图1. HBT器件的小信号等效模型。

A complete small-signal HBT model including AC current crowding effect

Jinjing Huang, Jun Liu

J. Semicond. 2021, 42(5): 052401

doi: 10.1088/1674-4926/42/5/052401

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基于SPAD快速准确的光子模拟计数像素电路

单光子雪崩二极管（SPAD）因其具有高的灵敏度、皮秒级的时间分辨率，已成为单光子探测技术的首选器件，在近几年取得显著进展。它是一种特殊的物理器件，工作电压高于其击穿电压，当检测到光子时，探测器会产生一个脉冲信号，来描述光子的到达信息，它的反应速度非常快，所以在时间精度要求很高的测量领域是一个非常有用的技术。

南京邮电大学徐跃教授课题组近年来一直致力于单光子探测器件及应用研究，在最新出版的《半导体学报》2021年第5期上发表了题为“Compact SPAD Pixel with Fast and Accurate Photon Counting In Analog Domain”的研究论文。提出了应用于SPAD快速淬灭电路和精确光子模拟计数器，快速的淬灭电路具有极短的死区时间，可实现最大125 MHz的光子计数率，模拟计数器在8-bit的计数范围内积分非线性低于1.2 LSB，采用SMIC 0.18 μm 标准CMOS工艺在包括有效感光直径为25 μm的SPAD器件内实现了9.2%的填充系数。这项工作为实现高密度SPAD阵列集成的提供了解决思路，在基于SPAD在光子计数成像中具有应用前景。

图1. SPAD像素芯片显微照片。

Compact SPAD pixels with fast and accurate photon counting in the analog domain

Zhiqiang Ma, Zhong Wu, Yue Xu

J. Semicond. 2021, 42(5): 052402

doi: 10.1088/1674-4926/42/5/052402

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WO₃钝化层包覆的纳米结构TiO₂

通过采用RF溅射三氧化钨（WO₃）钝化层，控制了由于二氧化钛（TiO₂）表面缺陷引起的光电子的损耗。X射线光电子光谱显示了Ti 2p、W 4f和O 1s特征峰，表明WO₃涂层覆盖于TiO₂纳米颗粒层上，X射线衍射进一步证实了这一点。WO₃在TiO₂纳米颗粒层上的涂层对染料吸附没有明显影响。用WO₃包覆TiO₂制备的染料敏化太阳能电池（dye sensitized solar cells，DSSCs）比用原始TiO₂基光电极制备的DSSCs性能提高了~10%。这是由于TiO₂表面的WO₃钝化产生了一个能垒，有利于通过隧穿的方式注入光电子，并且阻碍了反向电子重组途径，避免其与染料分子最高占据轨道上的空穴重新组合。从短路电流密度值的不利影响出发，进一步证明了WO₃存在一个有利于提高DSSCs性能的最佳涂层厚度(涂层时间)，并且WO₃抑制光电子从染料向TiO₂注入的时间更长。射频溅射可以在任何感兴趣的区域获得无针孔、高度均匀和共形的WO₃涂层，可以考虑用于纳米结构光伏器件的有效表面钝化。