综述 

研究论文

微波光子系统小型化、集成化的发展趋势，带来了对小型化光发射模块的迫切需求。铌酸锂调制器由于具有高带宽、高消光比、高稳定性等优异性能被广泛应用于高性能微波光子链路，因此，研究激光器芯片与铌酸锂调制器芯片的混合集成技术就成为一个具有实用价值的研究方向。

近日，中国科学院半导体研究所微波光子课题组刘宇研究员等联合北京世维通公司通过采用自研高带宽铌酸锂调制器芯片与DFB激光器芯片实现了一款异质芯片混合集成光发射模块。模块消光比大于34 dB、带宽超过20 GHz、无杂散动态范围达到112 dB·Hz^2/3, 性能指标与分立器件组成的外调链路相当，有望替代现有系统中的分立器件，促进微波光子系统的小型化。

该文章以题为“Optical transmitter module with hybrid integration of DFB laser diode and proton-exchanged LiNbO₃ modulator chip”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 混合集成光发射模块样品。

Optical transmitter module with hybrid integration of DFB laser diode and proton-exchanged LiNbO3 modulator chip

Xuyang Wang, He Jia, Junhui Li, Yumei Guo, Yu Liu

J. Semicond. 2022, 43(6): 062303  doi: 10.1088/1674-4926/43/6/062303

紫外线虽然在太阳光整个光谱中能量占比小于5%，但它却广泛应用于我们日常生活中。考虑到紫外光（Ultraviolet light：UV）能量比可见光大，因此它不仅在医疗（如杀菌、消毒等）和工业装备（光刻机）等国民经济领域占有重要地位，在保密通讯和太空探索等国防军事中也有着重要的应用前景。目前根据波段，我们把紫外光划分为三个不同的波段：320-400 nm为UV-A波段；280-320 nm为UV-B波段；200-280 nm为UV-C波段。处于UV-C波段的紫外线波长短、能量高，可以有效杀灭有害生物。这种特殊形式的紫外线可以穿透微生物的细胞膜，攻击、破坏它们的DNA，最终杀灭它们，从而实现净化水和空气的目的。除此之外，由于太阳辐射中大部分深紫外线都会被地球大气层中的臭氧所吸收，从而导致地球表面几乎没有来自太阳辐射的深紫外线，因此UV-C波段的紫外线还可以应用于保密性强的日盲光通信系统。然而，目前大多数的深紫外线光源都是基于水银的汞灯，它们不仅对于环境有严重污染，并且体积庞大、效率低下、开关速度也很慢。

因此，近些年，人们开发出了一种更加坚固耐用、节能环保、更小型、开关速度更快的优质深紫外光源——基于III族氮化物半导体的深紫外LED。这种新型的半导体深紫外光源在杀菌消毒、食品保存、假币检测、日盲光通讯等方面具有重要的应用前景，近年来受到广泛关注和研究。但是，目前深紫外LED面临着一项关键的挑战就是电光转换效率问题。深紫外LED的电光转换效率可以从三个方面进行衡量，分别是内量子效率、电注入效率和光提取效率。目前，由于材料外延和掺杂的技术进步，内量子效率和电注入效率都达到了一个较高水平（50%以上），但光提取效率普遍小于20%。因此，如何通过优化器件构造提升器件取光效率是目前进一步提升深紫外LED亮度和发光效率的重要手段之一。

中国科学技术大学微电子学院龙世兵教授和孙海定研究员团队在2021年初就提出了一种通过微型化大尺寸的深紫外LED提升电流密度并改变器件内部光子的逃逸路径，进而改进器件的光提取效率【Optics Letters 46 (13), 3271-3274, 2021】，且通过微型化器件尺寸和优化深紫外micro-LED侧壁倾斜角，有利于更多深紫外光子从器件内部逃逸【Optics Letters 46 (19), 4809-4812, 2021】。但是毕竟单颗深紫外micro-LED的发光强度有限，整体发光强度不高。为了解决该问题，近日，团队通过研制深紫外micro-LED发光阵列的技术路线来达到类似大尺寸深紫外LED的发光强度。研究发现，通过比较一个传统大尺寸深紫外LED发光强度和我们新制备的拥有同样发光面积的深紫外micro-LED阵列相比，整体发光功率提升近50%，并在正文中细致分析了深紫外micro-LED阵列相比于传统大尺寸深紫外LED的优势和机理。相关论文以“A 10 × 10 deep ultraviolet light-emitting micro-LED array”为题，作为封面文章发表于Journal of Semiconductors (《半导体学报》)，第一作者是中国科学技术大学博士研究生余华斌，通讯作者为孙海定研究员。

本工作一共制备了三组器件，分别是10 × 10 micro-LED发光阵列，4 × 4 micro-LED发光阵列和常规的大尺寸深紫外LED，为了保持三组器件的发光面积相同，每组的LED刻蚀台面直径分别为20、 50、200 μm。上述三组器件的发光面积保持相同。通过器件性能测试，团队发现采用深紫外micro-LED发光阵策略能够显著提升器件性能，并且器件单元尺寸越小，性能越好。在相同的注入电流水平下10 × 10 micro-LED发光阵列比常规大尺寸深紫外LED的发光强度高52%，外量子效率高22%，如图1所示。

图1. 深紫外micro-LED发光阵列和常规的大尺寸深紫外LED的（a）发光光功率图和（b）外量子效率图。

通过FDTD理论计算，作者发现，深紫外micro-LED发光阵列的发光性能提升主要受益于光提取效率的提高。具体而言，由于刻蚀台面侧壁反射作用，在深紫外LED中，越靠近侧壁的区域，光提取效率越高，如图2所示。相对于常规的大尺寸深紫外LED，深紫外micro-LEDs发光阵列中侧壁附近的发光区域与总体发光区域的占比大得多。因此，受益于更加明显的侧壁反射作用，深紫外micro-LED发光阵列的光提取效率得到明显的改善，最终实现发光效率的显著提升。该成果为集成式、大功率、高效率深紫外micro-LED的器件设计、制备、性能优化和应用推广提供了新思路。

图2. 深紫外micro-LED发光阵列和常规的大尺寸深紫外LED的电场分布图。（a）偶极子在刻蚀台面中心、（b）偶极子在刻蚀台面边缘。偶极子在不同位置的（a）TE模和（b）TM模光提取效率。

A 10 × 10 deep ultraviolet light-emitting micro-LED array

Huabin Yu, Muhammad Hunain Memon, Hongfeng Jia, Haochen Zhang, Meng Tian, Shi Fang, Danhao Wang, Yang Kang, Shudan Xiao, Shibing Long, Haiding Sun

J. Semicond. 2022, 43(6): 062801  doi: 10.1088/1674-4926/43/6/062801

作为一种新型的超宽禁带半导体，氧化镓的生长、光电性质与器件应用正受到越来越多人的重视。虽然氧化镓已被证明能形成不同的晶格结构，如β、α、γ、δ以及𝜀等，但目前研究最多还是所谓β型氧化镓。掺杂是改变半导体光电性质的基本手段，也是半导体器件应有的必由之路。这对于氧化镓也不例外。例如，通过掺入Si杂质能使氧化镓成为有效的所谓电子型（n-型）导电半导体。在过去的研究中，人们主要研究了Si掺杂氧化镓薄膜的生长以及对其导电性质的影响。而有关Si掺杂对于氧化镓的光学性质，尤其是对光子能量低于氧化镓禁带宽度的折射率色散、有效光学禁带宽度、透射光谱、吸收系数等光学性质影响的理论研究非常少，甚至基本上还处于空白状态。

近日，香港大学及复旦大学徐士杰教授课题组利用他们（包一天、徐士杰等）最近提出的有关半导体及绝缘体亚禁带长波长的折射率色散及有关基础光学性质的唯象理论模型，对于Si掺杂β氧化镓的亚禁带折射率色散与光学性质进行了理论解释。他们在该工作给出了Si掺杂氧化镓折射率在亚禁带长波长波段的色散关系的清晰表达式，定量解释了其他课题组有关实验结果，确定了Si掺杂氧化镓薄膜的光学有效禁带宽度，发现其光学有效禁带宽度随掺杂浓度的增加而衰减。该工作也在弗雷泽-克莱德希（Franz–Keldysh）电场效应理论框架基础上，计算出了Si掺杂氧化镓的亚禁带吸收系数，与已有的实验数据符合良好。这些发现对于我们深刻理解Si掺杂氧化镓以及其它宽禁带半导体在亚禁带长波长波段的光学性质，如折射率色散、光学有效禁带宽度移动、反射谱、透射谱等的变周期震荡现象等具有一定的意义，也对于氧化镓光电器件的设计与制造具有一定的参考价值。

该文章以题为“Sub-bandgap refractive indexes and optical properties of Si-doped β-Ga2O3 semiconductor thin films”发表在Journal of Semiconductors上。

Sub-bandgap refractive indexes and optical properties of Si-doped β-Ga2O3 semiconductor thin films

Yitian Bao, Xiaorui Wang, Shijie Xu

J. Semicond. 2022, 43(6): 062802  doi: 10.1088/1674-4926/43/6/062802

AlGaN/GaN肖特基二极管(SBD)在未来的无线电力传输(WPT)应用中具有巨大的潜力。SBD负责将接收到的射频信号转换为直流信号，因此决定了WPT系统的转换效率。为了提高转换效率，AlGaN/GaN SBD需要同时满足低开启电压(VT)和低反向漏电流(IR)。无凹槽结构作为一种新型技术路线，能够消除蚀刻过程中对AlGaN势垒层的等离子体损伤，从而可以在实现低VT的同时降低IR。然而为了进一步改善器件性能，还需要继续对阳极金属进行优化。

SBD的VT和IR与阳极金属的选择密切相关。Ni/Au是AlGaN/GaN SBD中最常用的阳极金属。然而，已经有研究发现Ni/Au相比其他阳极金属IR较高，且其具体机制仍不清晰。另外，Ni/Au无法与CMOS工艺兼容，这显著增大了AlGaN/GaN SBD的制造成本，限制了其产业化应用。

近日，中国科学院微电子研究所康玄武课题组通过TiN阳极实现了无凹槽AlGaN/GaN SBD性能的进一步改善。他们在该工作中系统研究了阳极金属对无凹槽AlGaN/GaN SBD性能的影响，结果表明，与Ni/Au阳极相比，TiN阳极的VT降低了0.22 V，同时IR降低了一倍。通过分析两种阳极金属的电流传输机制，发现Ni/Au阳极中存在氮空位缺陷相关的Poole-Frenkel发射和Fowler-Nordheim隧穿，而TiN阳极中却不存在。这种现象归因于TiN阳极抑制了AlGaN中的N向TiN扩散，从而降低了氮空位缺陷密度。缺陷密度的降低是TiN阳极能够实现低VT和IR的主要原因。

这些发现加深了该领域对于AlGaN/GaN SBD的阳极设计的物理见解，有助于器件性能进一步优化，对促进AlGaN/GaN SBD的产业应用起到了积极的作用。

该文章以题为“Optimization of recess-free AlGaN/GaN Schottky barrier diode by TiN anode and current transport mechanism analysis”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. （a）制备的无凹槽AlGaN/GaN SBD的结构示意图；(b)对数轴和(c)线性轴下，两种器件在室温下的I-V特性；(d)TiN阳极与Ni/Au阳极各8个器件的I-V特性。

图2. TiN阳极和Ni/Au阳极各自在反向偏压下的电流传导机制示意图。

Optimization of recess-free AlGaN/GaN Schottky barrier diode by TiN anode and current transport mechanism analysis

Hao Wu, Xuanwu Kang, Yingkui Zheng, Ke Wei, Lin Zhang, Xinyu Liu, Guoqi Zhang

J. Semicond. 2022, 43(6): 062803  doi: 10.1088/1674-4926/43/6/062803

GaN具有3.4 eV的直接宽禁带宽度和良好的热化学稳定性，因此已广泛用于构建紫外光电探测器。通常采用约5nm金属层作为GaN光电探测器的金属层，然而这种半透明金属的透射率很低，这会阻挡大量的光并降低响应度。同时，由于低的载流子迁移率和短的载流子寿命，GaN光电探测器的光敏面积通常被限制在约0.1 mm²，这在诸如成像的应用中是不利的。为了克服这些限制，需要制备新型的GaN光电探测器。石墨烯具有很好的导电性，从红外一直到紫外都非常透明，并且载流子迁移率极高。它是一种可以与GaN形成肖特基结的半金属，因此，有望成为GaN光电探测器上金属电极的替代品。除了透明导电电极的功能外，石墨烯还可以用作有效的电流传输通道。在石墨烯/GaN界面处，由于内建的电场设置，可以分离光生载流子。此种类型的载流子可以迁移到石墨烯中以产生光电流。此外，由于大的缺陷密度和低的GaN电导率，传统的基于GaN的光电探测器的性能已部分受到光电载流子收集效率的限制。GaN纳米棒阵列垂直器件可以使平均每单位芯片提供尺寸较大的电流密度。可以得到不受衬底晶格失配限制的高质量GaN非极性表面，并且解决GaN器件的应力释放问题。目前常用的方法是通过MBE或MOCVD直接在衬底上自下而上的生长GaN纳米线，但这种方法不仅成本较高，而且纳米线的形貌不容易受到控制。

近日，长春理工大学晏长岭教授课题组和中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所纳米加工平台合作，通过ICP干法刻蚀和TMAH湿法刻蚀GaN相结合的方法，实现了自上而下的GaN纳米柱阵列结构可控制备。进一步地，还制备了石墨烯和GaN纳米柱异质结紫外探测器，并对其光电性能进行了测试。获得了较为优异的光响应率和比探测率等光电性能。理想因子和势垒高度在黑暗中分别为1.42和0.73 eV。在365 nm紫外光源照射下，光电流明显提高。I_photo : I_dark约为10²。结果表明，该器件在紫外波段具有优异的检测能力。瞬态响应的上升时间和下降时间分别为13 ms和8 ms。在紫外光范围内，实现了高达13.9 A/W的光伏响应率和高达479%的EQE。在-1 V偏压下，D*约为1.44×10¹⁰ Jones。并在360 nm波段观察到最高的光谱响应。

石墨烯和有序的GaN纳米柱阵列相结合，更好的促进了光生载流子在异质结内建电场作用下的快速分离，实现探测器优异的光谱响应等特性。为石墨烯和氮化镓紫外探测器的研究拓展了一种思路和方法。

该文章以题为“Vertical Schottky ultraviolet photodetector based on graphene and top-down fabricated GaN nanorod arrays”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. （a）石墨烯/GaN纳米柱阵列异质结紫外探测器的横截面结构。（b）器件结构的光学显微镜图像，插图是GaN纳米柱的SEM图像。（c）和（d）石墨烯/GaN纳米柱光电探测器在黑暗和光照下的I-V特性。（e）和（f）在周期性紫外线照射下，偏压为-5 V时探测器的电流随时间的变化。

Vertical Schottky ultraviolet photodetector based on graphene and top–down fabricated GaN nanorod arrays

Xuemin Zhang, Changling Yan, Jinghang Yang, Chao Pang, Yunzhen Yue, Chunhong Zeng, Baoshun Zhang

J. Semicond. 2022, 43(6): 062804  doi: 10.1088/1674-4926/43/6/062804