2021年12月，中国科学院半导体研究所集成光电子学国家重点实验室赵德刚研究员团队研制出波长小于360 nm的氮化镓（GaN）基紫外激光器，电注入激射波长为357.9 nm（图1），输出功率约11 mW。这是目前国内激射波长最短的电注入GaN基激光器，是国际上极少数能够实现波长小于360 nm紫外激光器的研究报道，也是赵德刚研究员团队在大功率蓝光激光器突破之后取得的又一重要进展。

图2. GaN基紫外激光器P-I曲线，插图为紫外激光器的激射光斑（插图中蓝色的激射光斑为紫外激光器照射在白色打印纸上产生的蓝色荧光）。

A 357.9 nm GaN/AlGaN multiple quantum well ultraviolet laser diode

Jing Yang, Degang Zhao, Zongshun Liu, Feng Liang, Ping Chen, Lihong Duan, Hai Wang, Yongsheng Shi

J. Semicond. 2022, 43(1): 010501

doi: 10.1088/1674-4926/43/1/010501

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2022年1月，中国科学院半导体研究所魏钟鸣研究员和哥本哈根大学Kasper Grove-Rasmussen副教授合作，综述了二维转角超晶格的发展及其在微电子/光电子器件中的应用，总结了转角材料体系的制备方法和目前发现的一些新奇物理现象，并展望了转角超晶格在将来应用于实际器件中的机遇与挑战。

近年来，转角电子学（Twistronics）因其简洁的材料体系和新奇的物理性质而成为物理学、材料学和电子学交叉领域的研究热点与前沿。早在2011年就有理论计算曾预言两层石墨烯在相对扭转~1°后，体系的能带结构会有显著的变化，在Γ点附近由狄拉克锥变成平带。自2018年美国麻省理工大学Pablo Jarillo-Herrero教授团队首次成功地在实验上制备了双层魔角石墨烯（转角1.1°），并观察到关联绝缘态及非常规超导态后，一个全新可控的体系自由度——转角（Twist angle），现身于二维材料家族的研究之中。

作为凝聚态物理关注的重点，转角对于二维异质结能带结构和态密度的高效调控能力同时也吸引了材料科学家们的关注。两层同质材料相对扭转一定角度后，在层间相互作用下完成晶格弛豫，形成周期性重复单元结构一致但尺寸倍增的摩尔超晶格（Moiré superlattice）。摩尔超晶格的出现不仅意味着倒空间内布里渊区的缩小和能带的折叠，同样意味着实空间出现了大尺寸周期性起伏的摩尔势场。这些势场的形成将使载流子具有新奇的输运性质，也使得对层间激子行为的研究有了更广阔的平台。从实空间回到倒空间，当转角为能带工程服务时，材料体系简洁、性质却高度可控的微电子和光电子器件便焕发了全新的增长点。例如，石墨烯除了在魔角（magic-angle）位置处能带结构会有显著变化外，其他相对转角同样可以起到通过影响态密度从而调节光学带隙的作用。光子与物质之间的相互作用得到极大幅度的增强，这不仅为设计新型的光电探测器奠定了基础，而且为非线性光学系统提供了新的研究思路。此外，在理论模拟过程中如果人为引入强磁场破坏体系的时间与空间反演对称性后，载流子有效质量沿倒空间不同方向将出现显著差异，通过转角和外磁场人为地引入有方向性的磁阻。

转角的研究从石墨烯开始，却并非只有这一个主角。与石墨烯具有完全不同电子结构且极具代表性的典型二维材料，过渡金属硫族化合物（TMDs）也很快被证明其摩尔超晶格具有类似调节能带结构的作用。在整数大角度转角下，重叠区域的带隙与两侧单层材料带隙的差异将形成一个势垒，对提升器件的整流比有很大帮助。类似地，当黑磷（BP）之间以转角90°堆叠在一起时，堆垛重叠区域的能带与Zigzag和Armchair方向的能带将完全不同，在外加垂直于材料平面的电场或特定方向的源漏电压时，载流子的输运将完全掌握在转角的人为控制之下。更有趣的是，最近研究人员在双层转角0.6°的六方氮化硼中发现了受转角与堆垛方式控制的铁电性。这无疑是对转角电子学的发展又一次有力的推动。

但是由于对小角度和转角精度的控制难度非常大，直观反映能带结构的技术例如ARPES等也比较少，因此转角电子学的研究还面临一些挑战。加之例如黑磷这类性质有趣的材料在常规环境下的不稳定性，使得许多研究仍停留在理论层面。但是不同于二维材料发展至今纷繁复杂的异质结体系，转角体系用料简单，性质高度可控，且往往伴随着意想不到的新奇物理现象，因而仍然持续地吸引着越来越多的研究投入，它在微电子/光电子领域的器件应用也将受到越来越广泛的关注。

图1. 转角材料的制备流程概述。① CVD一步法制得交叠的转角材料；② CVD制得用于后续叠转角的材料1；③ 机械剥离出用于后续叠转角的材料1；④ 拾取起剥离的或生长在衬底上的材料1；⑤ 利用精密仪器控制晶体取向偏转特定角度，与材料2对准；⑥ 将材料1与材料2叠在一起，待晶格驰豫后形成所需超晶格。

Twist-angle two-dimensional superlattices and their application in (opto)electronics

Kaiyao Xin, Xinggang Wang, Kasper Grove-Rasmussen, Zhongming Wei

J. Semicond. 2022, 43(1): 011001

doi: 10.1088/1674-4926/43/1/011001

硅基光电集成技术，是指将成熟的微电子工艺与具有优异性能的光电子器件如激光器、调制器、波导、探测器等集成在一起，有望满足数据中心等对低功耗、低成本及高传输速度通信的需求。由于Si、Ge等IV族材料为间接带隙半导体材料，具有极低的发光效率，因此光源成为制约硅基光电子集成技术发展的主要障碍。与其他技术相比，在硅衬底（Si）上直接外延生长具有优异光电子性能的砷化镓（GaAs）及砷化铟（InAs）材料，并实现InAs/GaAs量子点激光器，不仅具有低成本、大规模量产的优势，而且使用InAs量子点作为有源区，降低了异质外延过程中由于GaAs和Si晶格失配、热膨胀系数及极性差异所导致缺陷对其发光性能的影响。

中国科学院半导体研究所徐波研究员和赵超研究员在Si衬底上使用极薄的Ge材料作为缓冲层，并采用应变超晶格抑制失配产生的位错，生长了GaAs材料与InAs/GaAs量子点材料，并对GaAs材料和InAs/GaAs量子点材料进行了深入研究及表征。获得的GaAs外延层XRD半高宽达到252 arcsec，并且截面TEM显示位错主要限制在异质界面处，显示了GaAs外延层具有相当高的晶体质量。在GaAs外延层上自组织生长的InAs/GaAs量子点材料密度为4 × 10¹⁰ cm^-2，PL发光峰位于1270 nm。以此材料基础进行了法布里－珀罗（FP）腔激光器的演示，器件实现了O波段的室温连续波激射。

图1. （a）在室温下以脉冲模式在 Si 衬底上生长的 InAs量子点激光器的 L-I-V 曲线。插图：Si 衬底上整个 InAs量子点激光器结构的 SEM 图像。在室温下以连续波模式在Si衬底上生长的InAs量子点激光器的（b） L-I 曲线和（c）发射光谱。

Investigation into the InAs/GaAs quantum dot material epitaxially grown on silicon for O band lasers

Tianyi Tang, Tian Yu, Guanqing Yang, Jiaqian Sun, Wenkang Zhan, Bo Xu, Chao  Zhao, Zhangguo Wang

J. Semicond. 2022, 43(1): 012301

doi: 10.1088/1674-4926/43/1/012301

目前，高性能的中波红外探测器均采用低温制冷的方式以抑制探测器的噪声，进而提高探测器的探测能力。然而，制冷系统的引入会严重影响红外探测器的使用寿命，且限制了红外探测器的系统尺寸、重量、功耗及价格（SWaP-C）等方面的有效降低。在不影响器件光电性能的情况下，提高工作温度（HOT）是实现SWaP-C的主要途径之一。目前高工作温度中波（以下简称“高温中波”）红外探测器主要由碲镉汞（HgCdTe，MCT）、锑化铟（InSb）以及II类超晶格（T2SLs）等材料制备，相比于MCT红外探测器，InAs/GaSb II类超晶格红外探测器具有更好的均匀性和重复性以及更低的成本；相比于InSb红外探测器（~105 K），InAs/GaSb II类超晶格红外探测器具有更高的工作温度。因此，InAs/GaSb II类超晶格是制备高温中波红外探测器的首选材料之一。如何有效降低InAs/GaSb II类超晶格红外探测器的暗电流是实现HOT中波红外探测器的重要研究内容，以异质结为基础设计并制备势垒型结构（如PπMN结构、pBiBn结构等）的红外探测器是抑制探测器暗电流的重要途径，主要是通过调整吸收区与耗尽区的位置，使得耗尽区与吸收区分离（耗尽区落在宽带隙的势垒层）的方式来实现，这些势垒型的中波红外探测器结构通常较为复杂且制备工艺精度要求高。当前，高性能的势垒型结构II类超晶格红外探测器主要由MBE设备外延制备。具有量产优势的MOCVD是制备高性能红外探测器、降低生产成本的替代方案之一。

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所黄勇课题组通过MOCVD技术制备了结构简单的PNn型InAs/GaSb II类超晶格高温中波红外探测器。该探测器采用窄带隙的中波InAs/GaSb II类超晶格材料作为吸收层（n层），宽带隙的短波InAs/GaSb II类超晶格材料作为势垒层（N层）和接触层（P层），工作温度高达200 K，50%截止波长为4.9 μm，暗电流密度和峰值探测率分别为0.012 A/cm²和2.9×10⁹ cm·Hz^1/2W。

PNn结构的势垒型InAs/GaSb II类超晶格高温中波红外探测器的提出，为制备高温中波红外探测器提供了设计方向；采用MOCVD技术成功制备出高性能的InAs/GaSb II类超晶格高温中波红外探测器，为InAs/GaSb II类超晶格红外探测器的产业化提供了具有竞争力的外延技术路线。

图1.（a）PNn结构的势垒型InAs/GaSb II类超晶格高温中波红外探测器77 K时条件下的能带图。（b）PNn型探测器结构图。

图2. PNn结构的势垒型InAs/GaSb II类超晶格材料拟合曲线和HR-XRD测试结果。

图3. PNn结构的势垒型InAs/GaSb II类超晶格红外探测器在不同温度下的探测率。

High-operating-temperature MWIR photodetector based on a InAs/GaSb superlattice grown by MOCVD

Xiujun Hao, Yan Teng, He Zhu, Jiafeng Liu, Hong Zhu, Yunlong Huai, Meng Li, Baile Chen, Yong Huang, Hui Yang

J. Semicond. 2022, 43(1): 012303.

doi: 10.1088/1674-4926/43/1/012303

在本文中，我们讨论了copper（II）氧化铜（CuO）及Mn掺杂CuO薄膜的合成方法。其中Mn掺杂 CuO薄膜的制备采用喷雾热解技术，Mn含量在0到8at%之间变化。对于Mn掺杂为4at%的沉积态薄膜，其表面由成团的球形纳米颗粒和半海绵状多孔结构组成。X射线能谱分析证实了薄膜的化学组分。X射线衍射谱呈现出以（）峰为主导的多晶单斜结构。直接跃迁和间接跃迁的光学带隙能量估计分别在2.67-2.90 eV和0.11-1.73 eV范围内。折射率和静态介电常数可以根据光谱计算。CuO和Mn掺杂的CuO（Mn:CuO）薄膜的电阻率在10.5-28.6 Ω·cm之间。此外，我们还计算了4at% Mn:CuO薄膜的最小电子有效质量。当Mn掺杂为4 at%时，CuO薄膜从p型转变为n型。载流子浓度和迁移率分别为10¹⁷ cm^-3和10^–1 cm²/(V·s)数量级。霍尔系数介于9.9-29.8 cm³/C之间。上述结果表明Mn:CuO薄膜适合应用于光电领域。

图1. Mn:CuO 薄膜的迁移率和霍尔系数。

Band gap tuning and p to n-type transition in Mn-doped CuO nanostructured thin films

R. Rahaman, M. Sharmin, J. Podder, 

J. Semicond. 2022, 43(1): 012801

doi: 10.1088/1674-4926/43/1/012801

图1.（a）不同体偏压或背栅电压下Bulk-HC and FD-SOI-HC VNWFETs 的转移特性曲线；(b) 不同体偏压或背栅电压下的Ion (VG = 0.8 V, VDS= 0.8 V) 和 Ioff (VG = 0 V, VDS = 0.8 V)。LHC = 80 nm，LVC = 60 nm，Dnw = 20 nm。

图2. Bulk-HC VNWFET的TEM和EDX图。

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近日，中国科学院微电子研究所吕杭炳课题组在10 nm厚的Hf_0.5Zr_0.5O₂（HZO）铁电薄膜上进行了宽频率范围的Positive-Up–Negative-Down（PUND）测量，并考虑了寄生因素对P-V回线测量的影响。对铁电电容器极化反转时的漏电流和RC延迟进行了综合考虑。特别分析了高驱动频率下（>1 MHz）P-V回线趋于圆形的问题，这是由RC延迟和信号通道的数据采集不匹配引起的，并根据延迟时间对极化电流进行校准，获得了合理的P-V回线。这项工作提供了一种有效的方法来研究高频范围内铁电材料畴翻转和极化反转的动态过程，为研究铁电薄膜高频下的物理性质开辟了一条新的途径。

图2. 对Pt/(10nm)HZO/NSTO电容器在1 MHz频率下的P-V回线进行校准。（a，b）在驱动频率为1 MHz时10 nm HZO薄膜上测得的PUND数据。将电流数据（蓝线）向左移动一段时间（T）获得校准后的电流数据（橙色线）。（c-f）分别用不同的时间T = 30 ns，60 ns，90 ns和120 ns对10 nm HZO薄膜进行校准后得到薄膜的I-V曲线和相对应的P-V回线。

Frequency dependence on polarization switching measurement in ferroelectric capacitors

Zhaomeng Gao, Shuxian Lyu, Hangbing Lyu

J. Semicond. 2022, 43(1): 014102

doi: 10.1088/1674-4926/43/1/014102

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