博文
半导体学报2021年第7期——中文导读
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J. Semicond. Volume 42, Number 7, July 2021
综述文章
1 CsPbBr2I抑制光诱导相变的策略、进展以及在光伏领域的应用
兰州大学靳志文课题组总结Wang等人应用第一性原理和形核理论对相偏析的过程做了理论模拟。得出以CsPbBr2I代表的CsPb(I1−xBrx)3 (0<x<1) 混合卤化物由于混合卤化物离子的半径不同而使得晶格具有较高的能量而不稳定，在光照下卤化物离子获得了所需要的迁移能量，这些离子最终迁移到晶界、晶面、或者缺陷处，形成了卤化物的团聚，最终严重影响了器件的光电性能并且导致严重的迟滞。
通过对本文的总结，我们主要得出，影响CsPbBr2I效率和迟滞的主要原因是光诱导引发的相偏析，通过我们提出相偏析的策略来看，改进界面修饰和提高膜的制备工艺都可以抑制相偏析来提高效率，并且对相偏析的机理只停留在理论模拟阶段。因此，界面修饰、优化旋涂工艺等从理论上都可以提高CsPbBr2I的效率。
图1. (a)CsXth分解及钙钛矿中硫掺杂示意图.(b)电池的结构示意图, 以及TiO2和TiO2/CsBr ETLs的能带图.(c) SmBr3的掺杂使CsPbBr2I与TiO2之间的间隙正规化。
Hushan Zhang, Zhiwen Jin
J. Semicond. 2021, 42(7): 071901
doi: 10.1088/1674-4926/42/7/071901
研究论文 1 室温滴涂法制备高效MAPbI3钙钛矿太阳电池 钙钛矿太阳电池近年来能量转换效率快速提高，已经与单结硅电池相近。然而，目前绝大多数高效率的电池通过反溶剂辅助旋涂的方法制备，存在材料浪费、反溶剂的操作窗口窄以及重复性低等问题，不适合用于大规模制备。非旋涂的涂膜方式正被越来越多地采用，如狭缝涂布、刮涂、喷涂、线棒涂布等。旋涂过程中基底旋转产生较大的离心力和气流，溶液干燥速度快。非旋涂法中湿膜干燥过程是静态且相对缓慢的，自然干燥时容易长成覆盖度差的针状晶体，因此常需施加一些辅助手段来调控结晶过程，如基底加热、吹气、抽真空等，导致高的设备成本和工艺复杂度。 国家纳米科学中心丁黎明课题组开发了一种室温自然干燥成膜工艺，无需反溶剂和上述辅助结晶手段即可制备高质量的MAPbI3薄膜。该工艺通过使用低沸点的甲胺/乙醇/乙腈溶剂体系，在基底中心滴一滴前驱液，溶液可以在室温下自发铺展，自然干燥即可得到MAPbI3薄膜（图1a）。这得益于溶剂体系的高浸润性和易挥发性。溶液的快速挥发造成很高的成核密度，使针状晶体生长得以抑制，从而得到均匀致密且取向均一的薄膜（图1c）。通过用光学显微镜原位研究不同沸点溶剂体系的晶体成核与生长过程，解释了不同形貌形成的机制。最后，他们用室温滴涂工艺制备的钙钛矿薄膜制备了钙钛矿太阳电池，电池效率为18.21%。这种室温滴涂工艺可以在空气中进行，不需要电池制备中常用的涂布设备和手套箱，材料浪费低。该工作为制备钙钛矿薄膜提供了新方法。 图1. (a) 滴涂工艺示意图；(b) DMF/DMSO作为溶剂制备的薄膜表面SEM图；(c) MA(EtOH)/CAN作为溶剂制备的薄膜表面SEM图；(d) 高沸点溶剂体系晶体生长过程示意图；(e) 低沸点溶剂体系晶体生长过程示意图。 Efficient MAPbI3 solar cells made via drop-coating at room temperature Lixiu Zhang, Chuantian Zuo, Liming Ding J. Semicond. 2021, 42(7): 072201 doi: 10.1088/1674-4926/42/7/072201 暨南大学范建东和李闻哲团队首次设计并生长了新型Cs2NaFeCl6钙钛矿单晶，该晶体为立方晶系Fm-3m空间群。研究发现，晶体在80-500 K的温度范围内展示了可逆的热致变色现象，重复1000个温度循环后，晶体仍然保持极好的变色可逆和优异的湿热稳定性。 图1. Cs2NaFeCl6钙钛矿单晶在50-500K温度范围内的热致变色照片。 利用原位X射线单晶衍射，进一步发现，该热致变色现象来源于Cs2NaFeCl6钙钛矿结构中[NaCl6]5−和[FeCl6]3− 八面体的有序-无序转变，相应的理论计算也进一步证明八面体在三维空间的有序-无序结构重建是热致变色的根源。该研究为设计新型钙钛矿材料和微结构研究提供了新的思路。 图2. (a) 面心立方钙钛矿结构中八面体有序-无序相转变示意图。(b) 原位X射线单晶衍射示意图. (c-l) Cs2NaFeCl6 钙钛矿单晶在倒易空间的衍射强度随温度的变化。 Wenzhe Li, Naveed Ur Rahman, Yeming Xian, Hang Yin, Yunkai Bao, Yi Long, Songyang Yuan, Yangyi Zhang, Yaxuan Yuan, Jiandong Fan J. Semicond. 2021, 42(7): 072202 doi: 10.1088/1674-4926/42/7/072202 3 采用 0.15-μm GaAs E 模 pHEMT 技术实现的一个15 Gbps-NRZ，30 Gbps-PAM4，120 mA 的激光二极管驱动器 广泛分布的数据中心、云计算以及互联网协议电视（IPTV）和视频点播（VOD）等服务已经成为数据流量激增的关键驱动力。根据 cisco internet protocol（IP）流量预测，2021 年全球IP流量约为 319 EB/月，年增长率为 24%。大多数数据通信是在最终用户和数据中心之间进行的。因此，需要具有更好的频谱效率、更有效的调制格式来适应接入网络和数据中心中的业务量增加的情形。近年来，由于 PAM4信号与其它复杂的调制方案相比具有较高的性价比，已成为光链路和电链路的研究与开发（R&D）热点。PAM4 已被用于高数据速率标准，因为它在相同带宽下的传输比特率是NRZ二进制调制的两倍。由于 PAM4相对于NRZ的眼高降低的原因，PAM4 调制方案的频谱效率以超过 9dB的 SNR代价为代价。因此，PAM4 发射机需要提供更大的输出电压摆幅，以满足与NRZ相同的误码率（BER）。 本文在 0.15-μm GaAs E 模 pHEMT工艺中实现了一种用于大电流直接调制激光器的双模15 Gbps-NRZ 和 30 Gbps-PAM4 激光二极管驱动（LDD）电路。LDD结构由两个两级片组成，如图1所示。当驱动 25 Ω 激光器时，每个片可以作为一个独立的 15 Gbps NRZ LDD 工作，片I和片II的最大输出电流分别为 80和 40 mA。通过同时启用两个片并用相同的输入信号驱动它们，可以将输出电流提升到 120 mA。通过组合两个 15 Gbps NRZ驱动器，该电路可以作为 30 Gbps（15gbaud/s）PAM4 LDD工作，如图1（b）所示。根据最高有效位（ Vi,MSB）和最低有效位（ Vi,LSB）00、01、10 或 11的可能性，输出调制电流将分别为0、40、80 或 120 mA。 图1. 驱动电路结构。(a）15 Gbps NRZ LDD，80 mA输出电流（片I启用，片II禁用）；(b）30 Gbps（15 Gbaud/s）PAM4 LDD。 图2. 以5、10和15 Gbps速率测量的片I、片II和两个片的输出眼图。水平刻度：（a、b和c）为33.4 ps/div，（d、e和f）为16.7 ps/div，（g、h和i）为11.1 ps/div。 图3. 在（a）10 Gbps（5 Gbaud/s）下测得的PAM4输出眼图。(b） 20 Gbps（10 Gbaud/s）。(c） 30 Gbps（15 Gbaud/s）。水平比例尺：（a）、（b）和（c）分别为33.4、16.7和11.1 ps/div。 值得一提的是，该驱动器的 NRZ/PAM4 双模操作使其适用于不同标准的光通信系统。利用的驱动器的高驱动能力，DFB 激光器可以在直流偏置电流为零或低于阈值的情况下工作在增益开关模式，从而产生比外加电脉冲更短的光脉冲。这些较短的光脉冲可以减轻光纤色散效应，从而实现长距离传输。 Ahmed Wahba, Lin Cheng, Fujiang Lin J. Semicond. 2021, 42(7): 072401 doi: 10.1088/1674-4926/42/7/072401 4 不同真空退火时长对Co掺杂TiO2纳米颗粒高室温磁化强度的促进作用 基于电子的电荷特性和自旋特性提出的自旋电子器件，被认为是取代传统电子器件最具发展前景的颠覆性技术之一。开发室温下或高于室温时具有较大自旋极化的稀磁半导体是发展自旋电子器件的关键。过渡金属Co离子掺杂的纳米级TiO2基稀磁半导体（Co-TiO2）由于具有较高居里温度、稳定室温铁磁性及较好n型载流子导电，被视为有希望应用于自旋电子器件的稀磁半导体之一。 彻底揭示该体系室温铁磁性的产生机制是实现室温铁磁性调控并研发自旋电子器件的关键，因此国内外研究人员对此开展了大量研究。目前，国内外学者倾向于认为氧空位是诱导Co-TiO2体系室温铁磁性的决定性因素。研究发现，通过在Co-TiO2晶格中引入氧空位缺陷，将很容易促进体系室温铁磁性的产生和增强。 然而，Co-TiO2体系的室温铁磁性是否将随着氧空位的连续增加而持续增强？这仍是悬而未决的问题。因此，十分有必要对Co-TiO2晶格中过量氧空位对体系室温铁磁性的影响机制进行深入研究。 福建农林大学机电工程学院张洪副教授研究组对该问题展开了系统研究。该研究组采用溶胶-凝胶法结合真空退火制备了Co-TiO2纳米颗粒，并通过改变真空退火时长调控Co-TiO2体系的氧空位缺陷浓度和室温磁性能。研究发现，适量氧空位有利于促进Co-TiO2体系室温铁磁性的产生和增强。但是，过量的氧空位将导致晶格中最近邻Co2+离子间的反铁磁超交换作用逐渐增强，致使体系的室温铁磁性逐渐减弱而顺磁性逐渐增强，最终导致Co-TiO2体系室温磁性能由较强铁磁性转变为顺磁性。此外，该研究组发现，在11.2 Pa真空环境下退火4小时后，Co-TiO2体系的饱和磁化强度达到1.19 emu/g，该值远高于许多文献报导的结果。该研究组报导的研究结果对新型自旋电子器件的研究和开发具有很重要的参考价值和指导意义。 Wenqiang Huang, Rui Lin, Weijie Chen, Yuzhu Wang, Hong Zhang J. Semicond. 2021, 42(7): 072501 doi: 10.1088/1674-4926/42/7/072501 在本文中，采用熔融法生长Cu2ZnSnS4 (CZTS)铸锭，然后冷却；将得到的熔融化学计量的混合物在真空下密封在石英安瓿中。采用能谱仪(EDS)对CZTS粉末进行了化学成分分析，揭示了铸锭的微富铜和微贫锌特征。对粉末的X射线衍射（XRD）分析揭示了一种具有锌黄锡矿相的晶体结构，且具有(112)晶面的择优取向。根据XRD分析计算的a轴和c轴的晶格常数分别为a=5.40 Å，c=10.84 Å。根据室温下的霍尔测量，我们发现该晶体呈p型导电，浓度高达1018cm-3，电阻率为1.7 W cm，迁移率为10.69 cm2V-1s-1。在80–350 K的温度范围内，根据电导率与1/T的Arrhenius图测得低温和高温条件下的激活能分别为35 meV和160 meV，分别归因于复合缺陷(2CuZn+SnZn)和反位缺陷(CuZn)。所观察到的散射机制分别归因于低温和高温下的电离杂质和声学声子。提取的带隙为1.37 eV。 图1. CZTS锭的EDS谱。 S. Kerour, A. Bouloufa, M. Lasladj, K. Djessas, K. Medjnoun J. Semicond. 2021, 42(7): 072701 6 基于InAs量子点的高品质单光子源 量子信息技术是21世纪人类科学研究的前沿之一，是量子密钥、量子隐形传态等量子通信领域的核心技术，在未来计算机、随机数产生、量子计算、量子存储等领域有着广阔的应用前景。目前，中国科学技术大学潘建伟院士领导的科研团队在量子密钥、量子隐形传态等方面取得了瞩目的成就。量子信息技术的应用研究离不开高品质的单光子源。当前能够实际应用的单光子源仍存在单光子概率低、发射频率低、要求苛刻的低温环境等问题，与理想的单光子源相比仍然存在很大的差距，因此研究和开发高性能的单光子源具有很大的现实意义。 所谓量子点结构，就是通过原子级外延生长出岛状量子点嵌入上下层不同势垒的层状材料中，使之在三个维度上受到势垒的限制，从而导致电子能量的量子化。量子点的态密度分布与单个原子相似，呈δ函数分布，呈现出各自分立的能级。自组织生长量子点，是通过分子束外延或者化学气相沉积技术，在高真空条件下，通过精密的调控，使不同的材料以原子形式混合掺入，在衬底上形成一定的晶格层。这种方式获得的量子点一般尺寸均匀及密度可控，且由于这些量子点受到三维限制，因而呈现出类似原子的特性，被称之为人造原子。 中国科学院半导体研究所牛智川研究员领导的超晶格研究组与西北大学光子学与光子技术研究所丁颖教授领导的半导体光子器件研究组联合研制出了单模光纤耦合输出可产生高计数率单光子的InAs量子点单光子器件。该器件的外延结构片采用了优化的分子束外延（MBE）生长工艺参数，获得了低密度的InAs量子点有源区。在此基础上，利用微柱共振微腔结构对自发辐射具有的Purcell效应，设计和生长出上15对、下25对多层Al0.9Ga0.1As/GaAs结构的分布布拉格反射镜（DBR），在此DBR结构上刻蚀出微柱来增强单光子强度，最终获得了强度有显著增强效应的9xx nm波长的单光子源。 在光纤耦合方面，我们制备了耦合按压器，减少了光纤端面和外延片耦合时的间隙，提高了光纤耦合效率。对于用紫外固化胶粘连光纤与外延片，采用了新的分段式耦合方案。先在强紫外光下进行基础固定，接着成批的在弱紫外光下加固固定，提高了器件的耦合效率与良品率。最终得到了耦合光纤末端的单光子计数率达到4.73×106 cps的单光子源，通过Hanbury-Brown-Twiss (HBT) 实验测试其二阶自相关系数g2(0)达到0.08，这表明该单光子源具有很高的单光子性。此研究成果由陈瑶(Yao Chen)作为第一作者在《Journal of Semiconductors》 2021年，第42卷，第7期上发表。 图1. 共振微腔结构的单光子源的外延结构示意图。 图2. 基于低密度量子点和上下DBR微柱共振微腔结构的单光子源的扫描电镜照片。 图3. 光纤耦合输出的量子点单光子器件。 Fiber coupled high count-rate single-photon generated from InAs quantum dots Yao Chen, Shulun Li, Xiangjun Shang, Xiangbin Su, Huiming Hao, Jiaxin Shen, Yu Zhang, Haiqiao Ni, Ying Ding, Zhichuan Niu J. Semicond. 2021, 42(7): 072901 doi: 10.1088/1674-4926/42/7/072901 DRAM 存储器是目前应用最广泛的内存元件，其存储单元是电容器。为了在单位面积上，能够排布更多的存储单元，单个存储单元的尺寸越来越小。由于光刻工艺的限制，先进世代DRAM的电容刻蚀掩膜版都是采用水平方向二维交叉、垂直方向错层叠加的double patterning整合工艺。在完成复杂的double patterning工艺后，需要在垂直方向上用不同材料进行多层pattern转移，包括Carbon掩膜版、SiO2掩膜版、多晶硅掩膜版。SiO2掩膜版刻蚀作为中间层，不但需要考虑当站工艺要求，还需要考虑前后工艺整合。 中微公司CCP刻蚀产品部胡增文工艺开发团队和长鑫存储公司Karson Liu电容刻蚀团队对1xnm DRAM 存储单元（电容）的SiO2掩膜版关键刻蚀工艺进行了详细的调研和精准的调控。文章不但从刻蚀工艺角度阐述了关键工艺参数对SiO2掩膜版刨面形状和DARC残留缺陷的影响，而且从工艺整合角度讨论了刻蚀气体CH2F2对当站SiO2掩膜版刻蚀尺寸和最后电容刻蚀尺寸的趋势关联，揭示了DARC残留缺陷是造成尺寸反向趋势的根本原因。 关键刻蚀工艺的精准调控是构建DRAM有效存储单元的先决条件，需要半导体设备公司和制造公司密切配合、共同研发来解决复杂的微观工程问题。希望此文能为半导体产业链不同环节的合作抛砖引玉。 图1. 刻蚀气体CH2F2对当站SiO2掩膜版刻蚀尺寸和最后电容刻蚀尺寸的趋势关联图。 图2. SiO2掩膜版DARC 残留缺陷对后续工艺整合的影响机理。 The investigation of DARC etch back in DRAM capacitor oxide mask opening Jianqiu Hou, Zengwen Hu, Kuowen Lai, Yule Sun, Bo Shao, Chunyang Wang, Xinran Liu, Karson Liu J. Semicond. 2021, 42(7): 074101 doi: 10.1088/1674-4926/42/7/074101 8 基于P3HT的有机薄膜晶体管的制造、表征、数值模拟和紧凑建模 本文介绍了基于聚-3-己基噻吩（poly-3-hexylthiophene, P3HT）栅底接触（bottom-gate bottom-contact, BGBC）有机薄膜晶体管（organic thin film transistors, OTFTs）的制备、表征和数值模拟。该模拟基于漂移扩散电荷输运模型和P3HT基沟道带隙陷阱的缺陷态密度（DOS）。它结合了两种迁移率模型：跳跃迁移率模型和Poole-Frenke迁移率模型。同时描述了尾态和深态的缺陷态密度(DOS)。该模型考虑了OTFT的所有工作区域，包括OTFT的亚阈值和高于阈值特性。通过数值模拟结果与实验结果的比较，验证了模型的正确性。该模型还用于模拟四种不同结构的OTFT：如底部栅底接触（BGBC）、底部栅顶接触（bottom-gate top-contact, BGTC）、顶部栅底接触（top-gate bottom-contact, TGBC）和顶部栅顶接触（top-gate top-contact, TGTC）。本文还介绍了基于P3HT的OTFTs的集约模型和模型参数提取。该模型已进一步应用于基于p通道OTFT的逆变器和三级环形振荡器的电路模拟。 图1. 基于P3HT的底栅底触点(BGBC) OTFT的结构。 Shubham Dadhich, A. D. D. Dwivedi, Arun Kumar Singh J. Semicond. 2021, 42(7): 074102 doi: 10.1088/1674-4926/42/7/074102
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