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半导体学报2021年第8期——中文导读
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综述文章 1 黑磷异质结电子与光电子器件应用进展综述
二维材料凭借独特的晶体结构以及优异的物理与化学性质，已在诸多领域获得突破，并正逐步由实验室走向市场。黑磷（BP）是一种直接带隙半导体材料，其带隙与层数相关（单层1.73 eV，体材料0.3 eV），带隙位于石墨烯和过渡金属硫族化合物之间。基于这种独特的能带结构，黑磷被认为是一种天然的宽光谱探测材料，尤其在红外探测领域的潜力被广泛关注。此外，基于黑磷的场效应晶体管的开关比和载流子迁移率都很高，弥补了基于石墨烯和二硫化钼（MoS2）晶体管应用方面的不足。由此可见，黑磷在电子与光电子器件应用方面是一种极具潜力的二维材料，有望作为硅材料的补充，成为主流半导体应用制备材料。
图1. 黑磷结构与黑磷异质结器件的类型。
清华大学任天令教授团队通过本论文讨论了基于黑磷异质结器件在电子和光电子领域的应用最新进展。全文分为五部分，包括具有高稳定性和高迁移率的三明治结构器件，用于光电探测的同质结双栅结构器件，与其他二维材料相结合的器件，与 3D 体材料相结合的器件，以及由As掺杂具有可调带隙的器件。最后，本文讨论了基于黑磷的器件在未来将面临的挑战和应用前景。
本论文提出了三个值得进一步探索的重要方向：第一是晶圆级黑磷的制备以及厚度的可控制备，二是进一步提升黑磷器件的稳定性，三是研究基于黑磷的大规模集成电路。以黑磷为代表的新型二维材料非常有希望成为主流硅材料的补充，在电子器件领域发挥其高迁移率和柔性的独特优势，在光电子器件领域发挥其在红外探测方面的独特优势。
Black phosphorus junctions and their electrical and optoelectronic applications
Ningqin Deng, He Tian, Jian Zhang, Jinming Jian, Fan Wu, Yang Shen, Yi Yang, Tian-Ling Ren
J. Semicond. 2021, 42(8): 081001
doi: 10.1088/1674-4926/42/8/081001
2 紫外光通信技术及其应用
紫外光通信技术是以大气对紫外光的散射和吸收为基础，以日盲波段紫外光为载体，利用一定的编码和调制方式将信息加载在紫外光源上，驱动其发出光脉冲信号，在接收端以高灵敏度探测器和微弱信号处理电路完成信号接收，以解调、解码电路恢复信息，从而实现信息传输。近距离范围内，它综合了光纤通信与无线通信的优点，并且系统体积小巧、易携带。同时，相比传统通信技术，紫外通信还具有非视距、保密性强、全向通信、低背景噪声等优点，在军事战场和民用领域显示出了越来越大的潜力。然而，受限于当前紫外发光器件的发射功率和日盲探测器灵敏度，紫外通信的距离和速率仍亟需提升。
中国科学院半导体研究所魏同波研究组综述了国内外紫外光通信发展历史，从通信系统组成、大气散射、信道模型、调制方式等方面，对紫外光通信展开了系统介绍，并对其所使用的紫外光源和紫外探测器进行了全面分析和比较。从材料生长和器件工艺角度，重点阐述了提升紫外LED通信性能的手段。通过将芯片尺寸减小到微米量级，或者利用等离激元的近场增强作用，可以显著提升紫外LED的调制带宽（图1）。此外优化芯片外延结构，如量子阱宽度、量子垒高度、量子垒掺杂浓度、电子阻挡层等也有利于提升其调制带宽。近年来，基于Ga2O3、ZnO-Ga2O3和MgZnO的紫外探测器，因其优越的探测性能得到越来越多的关注，它们也有望在未来紫外光通信中发挥更大的用途。最后他们进一步讨论紫外光通信的未来应用和发展前景，指出制约紫外光通信技术发展的两个重要瓶颈，进一步提升紫外光源和紫外探测器的通信特性，对促进紫外光通信技术的发展具有重要意义。
图1. (a) 深紫外micro-LED阵列的平面图。(b) 深紫外micro-LED阵列的3 dB带宽随电流密度变化图。(c) 紫外光通信系统实验装置模型图和工作流程图。
Ultraviolet communication technique and its application
Liang Guo, Yanan Guo, Junxi Wang, Tongbo Wei
J. Semicond. 2021, 42(8): 081801
doi: 10.1088/1674-4926/42/8/081801
研究论文 1 过渡金属硫化物半导体与纳米尺度过渡金属硫化物半导体光学差异的广泛研究 图1. 合成纳米片和制备薄膜的示意图。 Ankush Parmar, Jashangeet Kaur, Manish Dev Sharma, Navdeep Goyal J. Semicond. 2021, 42(8): 082001 doi: 10.1088/1674-4926/42/8/082001 2 基于磷化铟的具有超低峰峰值电压和高调制深度的电光微环调制器 调制器能够实现电信号到光信号的转换，是集成光子芯片中不可缺少的一环。微环调制器由于其小尺寸、低驱动电压和高消光比等优点受到了广泛研究。目前微环调制器的研究主要基于绝缘体上硅、铌酸锂薄膜、聚合物等材料平台开展，而基于这些材料制备的微环调制器的环内增益和耦合状态较难改变，其应用灵活性受到了限制。 图1. 结构示意图。 该工作展示了在磷化铟材料平台上实现环内增益可控、超低峰峰值电压、高调制深度微环调制器的可能，后续研究可通过优化微环设计、有源区结构和电极形貌来提高调制速率、降低传输损耗、控制自由光谱范围、改善增益控制精细度等，未来有望应用在高速光通信、可重构微波光子滤波器和光学频率梳等领域中。 Ultra-low Vpp and high-modulation-depth InP-based electro–optic microring modulator Dapeng Liu, Jian Tang, Yao Meng, Wei Li, Ninghua Zhu, Ming Li J. Semicond. 2021, 42(8): 082301 doi: 10.1088/1674-4926/42/8/082301 3 一种低成本面向先进工艺节点阻变存储器多级失调消除灵敏放大器的设计 图1.（a）低成本失调自动消除读取电路。（b）读参考信号产生电路验证结果。 Qiao Wang, Donglin Zhang, Yulin Zhao, Chao Liu, Xiaoxin Xu, Jianguo Yang, Hangbing Lv J. Semicond. 2021, 42(8): 082401 doi: 10.1088/1674-4926/42/8/082401 4 蓝宝石表面以h-BN为缓冲层的B、N原子生长和扩散的第一性原理研究 随着电子器件向高效化，小型化和低能耗化的趋势发展，以往的第一、二代半导体材料面临着巨大的挑战，而第三代宽禁带半导体材料由于其高热导率、高介电常数、较宽的禁带宽度，以及良好的耐化学腐蚀性等物化性质，引起了人们的广泛关注。其中，六方氮化硼（h-BN）作为一种与石墨烯具有相似晶体结构的宽禁带半导体材料，具有巨大的应用潜力和发展前景。但目前h-BN材料的生长研究仍然处于起步阶段，制备大尺寸、高质量的h-BN仍是一个亟待解决的问题，对于生长过程中解离的B，N原子在衬底表面的吸附和扩散的微观理论亦尚未建立。 北京化工大学数理学院张纪才教授课题组选择常用的蓝宝石作为衬底材料，从第一性原理分子动力学的角度出发，研究了不同缓冲层条件下，游离态的B、N原子在衬底表面的生长情况。研究发现，由于放热反应，单个缓冲层的表面为游离的B和N原子提供了数个亚稳态吸附位。B原子在理想生长点位具有最低的吸附能，但N原子容易被衬底N原子俘获而形成N-N键。随着缓冲层的增加，游离原子在生长表面的吸附过程由放热转变为吸热。B原子的扩散速率远高于N原子，因此B原子在B-N键的形成中起主要作用。缓冲层的引入可以有效地屏蔽蓝宝石对B-N键形成的负面影响，使得晶体生长在缓冲层上趋于二维生长，有利于B、N原子的均匀分布。 Jianyun Zhao, Xu Li, Ting Liu, Yong Lu, Jicai Zhang J. Semicond. 2021, 42(8): 082801 doi: 10.1088/1674-4926/42/8/082801 5 开关频率对SiC功率MOSFET总剂量辐射响应特性的影响研究 碳化硅MOSFET相比于Si 器件在高频、高效、高电流密度等应用环境具有巨大的竞争优势。这些优势对于不断追求轻型化、小型化、低功耗的航天电子工业界来说具有强烈的吸引力，使得碳化硅功率MOSFET在航天领域有着极为广阔的应用前景。然而MOS类器件对空间辐射损伤的敏感性以及空间环境对电子器件可靠性的高要求，使得碳化硅功率MOSFET在空间电子系统中的应用，还必须进行充分而深入的试验研究和评估。 由于功率MOSFET 的作用是用来实现高速的导通和关断，因此相对于目前在总剂量辐照损伤研究中普遍采用的静态辐照偏置，SiC功率MOSFET在实际应用时更经常的处于不同频率的动态工作状态中。在空间环境中，不同频率的SiC器件可用于空间太阳能逆变器、电推进器等。因此研究SiC 功率器件工作频率对其辐射损伤特性的影响规律及机制，并探讨不同应用环境下的具有针对性抗辐射能力试验评估技术，对推动SiC 功率器件在空间的应用及保证其高可靠性具有非常重要的意义。 中国科学院新疆理化技术研究所余学峰课题组杨圣等人首次研究了SiC功率MOSFET不同开关频率下的总剂量响应规律，出人意料地发现：在其它所有条件不变的情况下，仅仅通过改变器件的工作频率，就会对SiC 功率器件的总剂量辐射损伤特性产生重要的影响。在上述工作的基础之上，本文又进一步探讨了工作频率对器件辐射响应特性的影响机理，并提出了通过适当改变工作条件提高碳化硅功率MOSFET抗辐射能力的可行性，对新一代功率电子系统的航天太空应用具有重要意义。 图1. SiC功率 MOSFET的辐射特性。(a) 在开关条件下，阈值电压随吸收剂量的变化，以及不同的频率。(b) 在相同的阈值电压下，开关频率的变化与应用的开关频率之间的关系。 Impact of switching frequencies on the TID response of SiC power MOSFETs Sheng Yang, Xiaowen Liang, Jiangwei Cui, Qiwen Zheng, Jing Sun, Mohan Liu, Dang Zhang,Haonan Feng, Xuefeng Yu, Chuanfeng Xiang, Yudong Li, Qi Guo J. Semicond. 2021, 42(8): 082802 doi: 10.1088/1674-4926/42/8/082802 6 定向转移硒化镉纳米片自组装膜与二维二硫化钨构建异质节 低维半导体材料包括量子点和二维材料是当前科学研究的热点领域，不仅在光源、能源和电子器件领域具有重大的应用前景，其也是研究基础物理的新重要平台，基于量子物理的新效应和新物理不断涌现。 北京大学物理学院现代光学研究所高宇南研究员课题组长期开展低维半导体的新材料、新结构和新物性的研究，本论文成功实现了硒化镉纳米片与二维材料的定向组合（图1），构建了两种材料的异质结，并采用条纹相机进行了光谱和时间分辨的荧光测量（图2），精确测定了两种低维材料之间的能量转移速率。 图1. （a）硒化镉纳米片吸收谱和荧光。（b）纳米片透射电镜图。（c）纳米片自组装和定向转移方法。（d）两种材料组装的异质结的光学显微镜图。（e）一到三层纳米片薄膜。 图2. （a）异质结的光学显微镜和原子力显微镜图。（b）微区荧光图。（c）条纹相机测量的时间和光谱分辨荧光谱。（d-f）时间分辨荧光。 Zeguo Song, Yunkun Wang, Yunke Zhu, Peng Bai, An Hu, Yunan Gao J. Semicond. 2021, 42(8): 082901 doi: 10.1088/1674-4926/42/8/082901 7 Sense-Switch 型pFlash器件的可靠性评估 Flash型FPGA具有可重构性、非易失性、高密度、高可靠性且抗单粒子固件错误免疫等特点，有望成为新一代NVM-FPGA的主流技术。目前，美高森美公司基于Sense-Switch型nFlash核心配置单元已开发多款系列Flash型FPGA产品，工艺节点覆盖0.25 μm到65 nm，但其抗总剂量能力和可靠性水平仍需改善与提高。因此，研究开发具有抗总剂量辐照能力和高可靠性的Flash配置开关单元非常必要。 中国电子科技集团公司第五十八研究所预先研究中心高性能技术创新团队成功研制出了一种Sense-Switch型pFlash器件，并验证了其抗总剂量能力可达100Krad（Si）。本文进一步评估了该Flash器件单元的可靠性，证实了其可达到10,000次的擦写耐久性，并推算了其在150 ℃条件下的电荷保持寿命约53年。因此，该Sense-Switch 型pFlash器件可以为抗辐照高可靠的Flash型FPGA研制提供核心配置开关单元，具有广泛的应用前景。 Reliability evaluation on sense-switch p-channel flash Side Song, Guozhu Liu, Hailiang Zhang, Lichao Chao, Jinghe Wei, Wei Zhao, Genshen Hong, Qi He J. Semicond. 2021, 42(8): 084101 doi: 10.1088/1674-4926/42/8/084101
Low-cost dual-stage offset-cancelled sense amplifier with hybrid read reference generator for improved read performance of RRAM at advanced technology nodes
https://blog.sciencenet.cn/blog-3406013-1302071.html
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