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半导体学报2022年第2期——中文导读
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综述
1 基于硅基光子的雪崩光电探测器
图1. 包括示意电场的硅-锗雪崩光电探测器的常见结构。
图2.（左）异构集成光电探测器的横截面示意图。（右）量子点波导雪崩光电探测器的横截面电子扫描图。
Avalanchephotodiodes on silicon photonics
Yuan Yuan, Bassem Tossoun, Zhihong Huang, Xiaoge Zeng, Geza Kurczveil, Marco Fiorentino, Di Liang, and Raymond G. Beausoleil
J. Semicond. 2022, 43(2): 021301.
doi: 10.1088/1674-4926/43/2/021301.
2 石墨相氮化碳电子能带结构调控的研究进展 光催化技术是利用光催化材料实现太阳能转化和利用的一种有效方法，是解决能源和环境问题的最理想方式之一。然而，多数光催化材料光谱响应范围小、能量转化效率低、稳定性差和有毒性的问题，极大地阻碍了光催化技术的产业化进程。石墨相氮化碳（g-C3N4）用于光解水反应的发现（如图1），为光催化技术的研究开辟了一个新的视野，主要由于g-C3N4具有良好的理化稳定性、无毒、响应可见光的带隙结构、廉价和易于功能化等特点。然而，g-C3N4也存在一些不足，如可见光响应率低、电导率差、比表面积小等。因此，设计和开发调控g-C3N4性能的有效策略，逐渐成为光催化领域的研究热点之一。在众多调控策略中，电子能带结构由于可以有效调控g-C3N4的能带位置、减小带隙、提升催化反应的驱动力和载流子的分离迁移效率，从而引起了研究人员的广泛关注。 基于此，中科院半导体研究所王智杰研究员课题组，围绕空位调控、元素掺杂、晶体结构调控、开发新的分子结构四种能带结构调控策略，系统总结了各调控策略对g-C3N4能带的影响机理以及在光催化反应中应用的最新进展。此外，针对能带调控提升g-C3N4催化性能研究中面临的核心问题，课题组也归纳了解决的策略和未来的研究方向，具体为：（1）开发能带调控和其它调控策略结合的协同调控策略，以优化和提升g-C3N4的催化性能；（2）发展新的实验和计算手段来探索基于g-C3N4复合光催化体系的协同作用机理和催化反应机制；（3）调控或改性g-C3N4在催化反应中的稳定性也是一个值得关注的方向。该综述为提升g-C3N4光催化性能和构建高效催化体系的研究提供了一些新的见解，对相关研究具有一定的指导意义和参考价值。 3 单晶金刚石的半导体应用以及“弹性应变工程” 近期，香港城市大学陆洋教授课题组系统总结并展望了金刚石（人造钻石）的半导体应用潜力及其在微纳尺度下“弹性应变工程”所带来的新机遇。文章综述了学术界与业界基于金刚石实验建模和构建的高压开关二极管、大功率高频场效应晶体管、微/纳机电系统以及在高温下工作的器件等多方面的努力，讨论了解决金刚石器件规模化应用的一些积极进展，并强调高质量化学气相沉积（CVD）大尺寸单晶金刚石薄膜的制备需求以及电子级应用下单晶金刚石掺杂的挑战。更进一步展示了课题组近年来通过积极利用微加工以及微纳尺度效应所带来的“弹性应变工程”策略调控金刚石电子和光电特性的新的潜在解决方案，有望为未来发展基于单晶金刚石的微电子和光电器件应用提供全新的角度和启发。 近年来，随着对宽带隙半导体需求的增加，5G甚至6G网络的到来，以及对大功率高频电气设备的需求，传统的硅基半导体技术由于性能有限而面临巨大的挑战。金刚石，作为一种超宽带隙半导体，与传统半导体相比因具有超高载流子迁移率、热导率、低热膨胀系数和超高击穿电压等诸多优势，成为下一代微电子和光子学的理想材料。然而，金刚石在实际应用于下一代电子产品也面临着各种挑战。人们已经在金刚石高压开关二极管的实验建模和制备、大功率高频场效应管、高温下工作的器件以及MEMS/NEMS做了大量的努力。金刚石晶圆的生产存在缺陷，且无法实现大面积晶圆生长。虽然近年在金属铱基底上已经可以生长出直径为4英寸的金刚石薄膜，但是缺陷仍然必须进一步被最小化。同时，均质外延生长金刚石的尺寸也在增加。因此，在不久的将来，通过更新制造设备和改进同质/异质外延生长技术，可以实现大面积、高质量金刚石晶圆的制造。 另外，金刚石存在浅层掺杂问题，掺硼的p型金刚石的合成和应用已经相对成熟，而且通过离子植入或CVD方法可以很好地控制杂质水平和载流子传输特性。然而，合成n型金刚石仍有很大的困难，并限制了金刚石半导体材料在电子领域的应用，在改进掺杂技术、提高电子迁移率、降低电阻率方面，值得进一步研究。另一方面，弹性应变工程被认为是调节金刚石电子特性的一种潜在方法，但由于金刚石固有的超高硬度和脆性的特性，这一方法长期以来被认为是不可能的。如今随着微纳米技术的发展，2018年首次报道在金刚石纳米结构中实现超大的弹性应变（Science 360 (6386), 300-302, 2018），后续通过第一性原理的理论计算预测了超大弹性应变能够改变金刚石的带隙。最近，研究者进一步展示了通过微加工块体单晶金刚石得到微阵列结构，并通过纯力学加载实现了超大、均匀的全局弹性应变（Science 371 (6524), 76-78, 2021），这使得金刚石的“深度弹性应变工程”成为可能。理论上，当施加极端的应变值时，甚至有可能在金刚石中实现“金属化”，甚至通过复合压缩-剪切变形金刚石甚至可变成超导体，这些令人激动的理论预测为开发未来基于“应变金刚石”的新型光电甚至量子器件开启了可能性。 作为目前极为受到瞩目的量子材料，人们发现通过施加应力应变可以控制金刚石单量子系统，这与传统基于电磁场的既定方法不同。例如，应变已被用于远程量子系统之间的信息传输，并可使机械振荡器冷却至其量子基态，这为量子信息处理应用打开了新的前景。 尽管如此，金刚石进入大规模的微电子产业应用仍然存在巨大的挑战。例如，基于金刚石的平面加工工艺的开发，将是构建金刚石集成电路芯片的主要挑战。此外，在精确的带隙测量下如何长时间保持应变的金刚石将是另一个挑战。在异质基底上生长金刚石薄膜，通过晶格错配可能是实现应变金刚石并最终将其用于实际器件的一个短期内较为现实的方法。最后值得一提的是，金刚石的半导体应用领域正处于蓬勃快速发展的阶段，但因其特性，需要多领域、交叉学科的研究人员和产业专家共同努力才能积极推进，以期其作为“碳基半导体”的有别于石墨烯和碳纳米管的另一条潜在赛道的“弯道超车”。 Diamond semiconductor and elastic strain engineering 4 相变存储器集约模型综述 相变存储器（Phase Change Memory）作为一种新型的非易失性存储器，在存储级内存、神经形态计算等领域被认为是有力的候选技术之一。在国际上，Intel，IBM等公司都在相变存储器领域有多年的技术积累。在存储器技术的发展过程中，面向电路设计仿真的集约模型（Compact Model）不可或缺。在存储、选通单元的匹配，存储单元的寄生和串扰效应，以及包含驱动电路的整芯片的设计中，集约模型都起到连接器件技术和设计方法的桥梁作用。基于相变存储器实现电子神经突触，进而构建硬件脉冲神经网络，也是目前学术界和工业界的研究热点。神经形态电路利用存储器的模拟和阈值转换等特性，其仿真设计对集约模型的要求更高，对模型的物理功能、计算速度、仿真收敛提出不小的挑战。 近日，北京大学张立宁助理教授、黄如院士课题组，联合中科院上海微系统研究所宋志棠研究员，系统地回顾了用于相变存储器电路和系统设计的集约模型的发展状况，并对未来的模型发展进行了展望。北京大学课题组近年来在相变存储器集约模型方向进行了深入研究，陆续提出和发展动态时间演进的建模方法和模型降阶的方法，实现对包含多物理场耦合的相变存储器的高效计算和仿真。该综述文章系统地梳理了发展存储器模型的宏模型构建、物理基础模型构建的方法，着重分析了脉冲神经网络设计对相变存储器模型的要求，并就微缩结构相变存储单元、存储单元的涨落和统计建模以及存储单元的可靠性建模等方面的挑战阐述了自己的观点。在神经形态计算电路和系统设计中，涵盖存储器可靠性等物理效应的集约模型将对技术的进步起到持续的推动作用。 图1. (a) PCM 器件的非晶态（复位）和晶态（置位）状态的电阻与时间的函数关系。(b) 复位单元的电阻与时间的关系。两个插图展示了烘烤实验中相对较短（左上）和较长（右下）烘烤时间的混合相结构。 研究论文
5 Cu2MgSnS4的缺陷特性和空位
图1. 调控化学势从Cu缺乏（A）到Cu富集（G）的情况时，CMTS的点缺陷（左）和缺陷复合体（右）的中性态缺陷形成能。
图2. 相对于VCu的阳离子和相对于VS的阴离子沿MEP扩散的能量，计算图像的能量由标记表示，实线为插值。
Defects properties and vacancy diffusion in Cu2MgSnS4
6 硅基集成高速模式偏振选择开关 随着大数据和 5G 时代的到来，光通信和光互连面临超大容量信息复用和处理的挑战。模式作为可携带信息的物理维度，一方面可以在保持信道数量的情况下减少所需激光器的个数，另一方面可与波长、偏振复用兼容以进一步提高信道数量，为进一步增大传输容量提供了一个选择。在可重构模式复用/多维复用系统中，光开关是重要组成器件。已报道的多维复用光开关是基于硅的热光效应实现调谐，响应时间慢，在微秒量级。开展高速多维复用光开关的研究具有十分重要的意义。 上海交通大学张永老师等提出了一种基于PN结相移器的马赫曾德尔结构的高速模式偏振选择开关。该硅基多维复用光开关可将任一输入端口的四个模式/偏振分量（TE0，TE1，TM0，TM1）路由到任一输出端口，实现高速导通和切换。如图1所示，实验制备的模式偏振选择开关所有信道在1550 nm波长处的插入损耗小于9.03 dB，模式间串扰小于 -15.86 dB。图2为加电调谐后测得的开关动态响应时间，上升沿和下降沿的10%-90% 开关时间分别11和10 ns。 该光开关通过引入模式偏振两个物理维度，为未来高速光网络提供了一种有效提升通信容量的方案。 Yihang Dong, Yong Zhang, Jian Shen, Zihan Xu, Xihua Zou and Yikai Su 7 不同晶向的蓝宝石衬底上磁控溅射AlN薄膜的结构和光学特性
Silicon-integrated high-speed mode and polarization switch-and-selector
作为一种超宽禁带半导体材料，AlN因具有击穿场强高、耐高温高压性能好、压电性能优异等特点而受到了研究者们的广泛关注。AlN在各种光电、电子电力器件和声波滤波器中均存在相关应用，考虑到现阶段单晶AlN衬底生长技术还不成熟，AlN薄膜主要依赖异质外延技术进行制备。目前，在各种外延技术中，金属有机化学气相沉积（MOCVD）被认为是外延AlN最为广泛使用的技术之一，但始终面临着生长周期较长、成本较高，以及生长温度过高导致衬底选择少等问题。与MOCVD相比，反应磁控溅射制备AlN单晶薄膜作为一种替代技术，具有设备及工艺成本低、生长过程中无副产品、杂质含量少等优势，但受制于Al原子迁移率低的本征属性，磁控溅射过程中AlN的柱状生长模式会导致位错和缺陷的产生。近年来，日本三重大学提出了磁控溅射结合高温退火的工艺改善AlN晶体质量，但目前高温退火对磁控溅射AlN的晶面取向和光学特性的影响尚不清楚，深入研究不同晶面蓝宝石衬底上磁控溅射AlN经过高温退火后的结构和光学特性变化，有助于进一步厘清和明晰基于磁控溅射技术的超宽禁带半导体材料生长技术路线图，为深紫外光电子器件的效率提升奠定基础。
近日，中科院宁波材料研究所叶继春研究员、郭炜研究员、孟凡平博士等采用磁控溅射技术分别在（0001）、（10-10）和（11-20）等不同晶面取向的蓝宝石衬底上沉积AlN薄膜，并在1700 ℃下进行了退火。结果表明AlN薄膜的结晶质量在高温退火之后得到了极大的改善，在高温退火之后，沉积在c面和a面蓝宝石上的AlN（0002）摇摆曲线的半高宽分别低至68和151 arsec，比退火前降低了数倍。此外，在高温退火后，由于点缺陷密度降低，AlN薄膜的吸收带边蓝移、深紫外透射率升高。磁控溅射AlN的结构和光学性能的改善证明了高温退火处理具有在半极性和非极性衬底上实现高质量AlN的巨大潜力，这一技术为制备大尺寸、高质量的非极性、半极性面紫外发光器件提供了一种可能：在这样的结构中，自发极化强度得以显著降低，从而避免了电子和空穴在空间中的分布不均匀引起的器件效率恶化的问题。
图1. 高温退火前后在c面（a）和a面（b）蓝宝石衬底上溅射的AlN（0002）取向高分辨XRD摇摆曲线图。其中C1，A1为退火前，C2和A2为退火后。
Structural and optical properties of AlN sputtering deposited on sapphire substrates with various orientations
Xianchun Peng, Jie Sun, Huan Liu, Liang Li, Qikun Wang, Liang Wu, Wei Guo, Fanping Meng, Li Chen, Feng Huang and Jichun Ye
J. Semicond. 2022, 43(2): 022801.
doi: 10.1088/1674-4926/43/2/022801.
8 采用超声波喷雾热解技术的透明导电氧化锡涂层：气溶胶溶液中摩尔浓度与改善电学性能的相关性 J. Semicond. 2022, 43(2): 022802. doi: 10.1088/1674-4926/43/2/022802.
Transparent conductive stannic oxide coatings employing an ultrasonic spray pyrolysis technique: The relevance of the molarity content in the aerosol solution for improvement the electrical properties
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