博文
半导体学报2022年第8期——中文导读
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综述
1 使用机器学习方法分析透射电镜图像
近日，华东师范大学通信与电子工程学院吴幸教授和王超伦副研究员指导本科生程之恒以“Review in situ transmission electron microscope with machine learning”为题撰写综述文章，介绍了透射电子显微学图像获取和处理技术的发展过程，并按照透射电子显微学常见的形貌、缺陷、结构和谱学数据结果分类，讨论并对比了多种机器学习算法在上述数据结果中的应用。在文章最后分析了机器学习在原位透射电子显微图像分析中应用所面临的挑战以及未来发展趋势。上述工作发表在Journal of Semiconductors第43卷第8期，同时本工作得到国家自然科学基金的支持。
文章信息：
Review in situ transmission electron microscope with machine learning
Zhiheng Cheng, Chaolun Wang, Xing Wu, Junhao Chu
J. Semicond. 2022, 43(8): 081001
doi: 10.1088/1674-4926/43/8/081001
2 硅基微光机电系统技术与应用简讯
近日，燕山大学陈珊珊团队与北京理工大学李家方课题组对近年来飞速发展的硅基MOEMS技术与应用进行了简要综述。该论文首先介绍了硅基MOEMS的基本工作原理、系统优势、常用材料和微加工制备技术，然后重点讨论了近十年来硅基MOEMS在微镜或微镜阵列、微型光谱仪、微型光开关等方面的应用研究进展，最后对未来的研究和发展前景进行了展望。
硅基MOEMS结合了MEMS和微光学系统的优点，利用简单的外部机电控制方法，如静电、磁场或者热效应，可以实现精确的动态光学调制，并兼容传统半导体制备工艺，具有光电混合集成优势，在光纤通信、光信息处理、光学传感等领域具有广阔的市场应用前景。
该文章以题为“Technologies and applications of silicon-based micro-optical electromechanical systems: A brief review”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Technologies and applications of silicon-based micro-optical electromechanical systems: A brief review
Shanshan Chen, Yongyue Zhang, Xiaorong Hong, Jiafang Li
J. Semicond. 2022, 43(8): 081301
doi: 10.1088/1674-4926/43/8/081301
研究论文
3 分子束外延制备的单层WSe2中不同激子态的谷极化动力学研究
近年来，人们对机械剥离制备的单层过渡金属二硫化物 (TMDC）中丰富的激子效应、谷极化动力学等问题已有较多研究，并发现单层TMDC材料中的谷赝自旋具有纳秒量级的长寿命，这对基于TMDC材料激子的谷自旋光电子应用具有重要价值，但是相关的物理起源仍然存有争议。相较于机械剥离制备的TMDC材料，分子束外延（MBE）生长技术有望获得界面缺陷和位错更少的高质量、大尺寸TMDC单层，可为基于TMDC材料的新型光电和自旋电子器件提供优良的材料选择。对MBE技术生长制备的TMDC单层中激子荧光特性、及其不同激子的自旋/谷极化寿命和弛豫动力学过程的研究，不仅可为MBE制备的大尺寸TMDC材料激子相关物理研究提供重要的基础参考，也可推进其新型光电和自旋电子器件的研制。然而目前对分子束外延技术生长制备的TMDC材料激子与谷极化寿命弛豫动力学的基础研究还鲜有报道。
近日，中科院半导体研究所张新惠研究员课题组对分子束外延生长的单层WSe2中不同激子态的寿命以及谷极化寿命开展了相关动力学实验研究。本工作利用双色显微时间分辨反射谱和时间分辨克尔旋转谱，通过系统地改变泵浦和探测光能量，发现其不同激子态的谷寿命存在明显差异：中性激子的谷极化寿命很短，约为1.5 ps；在高于中性A激子能量激发时，由于荷电激子与激子的强耦合关联，荷电激子的谷极化寿命与中性A激子的超快辐射复合和谷退极化密切相关。而在接近荷电激子共振能量附近激发时，其与中性激子的耦合得以消除，发现荷电激子具有长达2.4 ns的谷极化寿命。分析认为这一纳秒量级的长寿命来源于缺陷或声子散射辅助下、由谷间散射过程形成的暗态荷电激子。
该文章以题为“Valley dynamics of different excitonic states in monolayer WSe2 grown by molecular beam epitaxy”发表在Journal of Semiconductors上。
图1.（a）荷电激子在不同温度下的时间分辨克尔旋转谱结果（实线为拟合结果），泵浦光与探测光的能量分别为1.879 eV 和1.722 eV；（b）由（a）的原始数据拟合得到的荷电激子谷寿命随温度的变化；（c）10 K温度下，荷电激子在不同能量泵浦光激发下的时间分辨克尔旋转谱结果（实线为拟合结果）。探测光能量固定在1.710 eV；（d）由（c）的拟合得到的荷电激子长谷寿命 τv3与泵浦光波长的关系。
文章信息：
Valley dynamics of different excitonic states in monolayer WSe2 grown by molecular beam epitaxy
Shengmin Hu, Jialiang Ye, Ruiqi Liu, Xinhui Zhang
J. Semicond. 2022, 43(8): 082001
doi: 10.1088/1674-4926/43/8/082001
4 MoS2堆叠型晶体管仿真 过去随着半导体技术的发展，晶体管的尺寸不断减小，集成度每隔18~24个月便会成倍增长。然而，随着晶体管横向尺寸逐渐进入纳米尺度，漏电流增大、roll-off、亚阈值斜率退化等短沟道效应越来越严重。基于新型二维半导体材料的小尺寸晶体管，作为电子器件领域的新兴方向，近年来在尺寸微缩方面取得了突破，有望进一步延续摩尔定律进程。研究表明，相比硅半导体，二维过渡金属硫化物二硫化钼由于宽带隙、低介电常数以及极薄的厚度等特性，被认为有更好的特征长度和微缩优势。采用二硫化钼为沟道材料的小尺寸晶体管近年来被广泛研究和报道。然而，目前对基于二维材料的小尺寸器件的性能评估局限于平面型结构。在先进节点下，进一步用模型预测的方式评估二维材料的优势仍需要探索。 图1. 堆叠型二维晶体管结构和模型参数提取。 该研究结合第一性原理和TCAD仿真跨尺度仿真模型，研究了在应用于主流工艺3 nm节点的堆叠型晶体管工艺下，二维材料在I-V、C-V特性等方面的优势。他们发现，栅长从16 nm缩短至8 nm，硅基堆叠型晶体管SS、DIBL、roll-off等急剧增加，出现严重的短沟效应。而二硫化钼在8 nm栅长仍然可以维持陡峭的开关和较低的阈值偏移。同时，二硫化钼的原子层厚度也带来了约20%的栅极电容下降。因此，可以得出结论，以二硫化钼为代表的二维半导体材料在高集成电路中拥有一定的性能优势，MoS2堆叠型晶体管是延续摩尔定律的技术路径之一。 图2. 堆叠型二维晶体管特性预测和对比。 Simulation of MoS2 stacked nanosheet field effect transistor Yang Shen, He Tian, Tianling Ren J. Semicond. 2022, 43(8): 082002 doi: 10.1088/1674-4926/43/8/082002 5 复合介质层Si-Si3N4诱导680 nm AlGaInP / GaInP半导体激光器量子阱混杂的研究 大功率半导体激光器具有体积小、易集成等优点，但发生在激光器的腔面处的光学灾变损伤（COD）会严重损害其输出功率提升和可靠性。为抑制COD，要对症下药，目前有外延再生长技术、量子阱混杂技术、腔面钝化等方案。量子阱混杂作为后处理工艺，工艺简洁，无需改变结构，通过杂质扩散、离子注入等结合热处理过程，使量子阱量子垒发生组分互扩散，增大禁带宽度，形成窗口结构，可提高输出功率和COD阈值。较为常用的是使用Si杂质诱导量子阱混杂，选择 Si 杂质作诱导源的原因是 Si 常作为 AlGaInP / GaInP 量子阱半导体激光二极管芯片外延过程中使用的施主杂质，容易获得且不易造成污染；同时，p 型 GaAs 常采用 C 掺杂，引入 Si 杂质可部分中和 C 掺杂，基于载流子复合效应在窗口微区也形成低浓度载流子注入区，有助于减少窗口区载流子非辐射复合产生的热量，进一步抑制 COD 现象。目前所报道的方法中，使用 Si 作为扩散源进行量子阱混杂时，若采用离子注入方法，成本较高，另一方面，离子注入时会不可避免地对晶格造成损伤。而且使用高温或长时间热退火处理时，不仅会对外延片表面形貌造成损伤，且同时会造成增益发光区波长蓝移。 为此中国科学院半导体研究所马骁宇课题组重新设计量子阱混杂实验，采用复合介质层 Si3N4杂质诱导量子阱混杂。采用带胶剥离工艺，保持样片表面清洁，首先对外延片进行光刻分区。再使用溅射设备溅射一层Si，之后再使用PECVD生长一层SiN，探究复合介质层对量子阱混杂的影响。在540-600 ℃/10 min条件下，温度梯度设定为20 ℃，对各小块样片进行退火处理，发现 Si3N4覆盖区域基本无蓝移，而Si-Si3N4覆盖区域有不同程度蓝移。在540 ℃下，蓝移量为24 nm，而在600 ℃下，蓝移量达到54.8 nm。同时发光强度均保持在原样片的75%以上。实现了窗口透明区和增益发光区的蓝移差。在退火过程中，Si3N4 施加的应力使得杂质 Si 扩散进入外延片，促使量子阱和量子垒组分的互扩散。而单一介质层 Si 则在退火过程中由于本身在 GaAs 中扩散系数较小 ，在此温度下很难扩散进入外延片，难以引起量子阱混杂。本次实验提出 Si-Si3N4 复合介质层杂质诱导 680 nm 红光半导体激光器量子阱混杂，在较低退火温度 540-600 ℃，退火时间 10 min 条件下很好地实现窗口透明区和增益发光区大于 30 nm 的蓝移差。为提高 680 nm 波 段半导体激光器 COD 阈值提供了有效的方案。 该文章以题为“Research on quantum well intermixing of 680 nm AlGaInP/GaInP semiconductor lasers induced by composited Si-Si3N4 dielectric layer”发表在Journal of Semiconductors上。 J. Semicond. 2022, 43(8): 082301 doi: 10.1088/1674-4926/43/8/082301 CMOS图像传感器广泛应用于智能手机、安防监控、物联网及人工智能领域，这些设备通常使用电池供电，从而对CMOS图像传感器的功耗提出了更高的要求。降低功耗最显著的手段是降低电源电压，CMOS图像传感器读出电路的电源电压受限于像素的电源电压。为了降低像素电压，通常采用数字像素，但数字像素动态范围小且读出噪声大，难以满足高品质成像需求。高品质成像通常需采用有源像素。4T PPD有源像素是高性能CMOS图像传感器最常用的像素结构，传统实现方式其电源电压均大于2.8 V，当电压下降时，远离传输管的电子缺乏横向电场，滞留在像素中，造成图像的拖尾，从而会严重影响成像品质。综上所述，如何实现低压4T PPD有源像素的高品质成像成为设计难点。 近日，中科院微电子研究所陈杰研究员课题组提出了采用低压1.5 V 4T PPD有源像素的高品质列级单斜CMOS图像传感器。采用五指形像素层取代传统方形像素层，以解决低压4T PPD有源像素中残余电荷引起的图像拖尾问题。列级单斜ADC采用双重相关双采样技术不仅可减小列间差异，而且进一步降低了读出噪声。本文CMOS图像传感器采用0.11 μm 1P3M CMOS工艺流片，测试结果表明，该芯片的读出噪声为1.55e-rms，动态范围为67.3 dB，整体功耗仅为36 mW，FoM指数仅为1.98e-.nJ，该图像传感器在保证了图像品质的同时实现了低功耗。 本文的研究内容对低功耗高品质CMOS图像传感器的研制具有指导意义，设计制作的图像传感器具有重要的应用价值和广阔的应用前景。 图1. PPD形状及电势分布。（a）传统方形；（b）本文五指形。 图2. 采用双重相关双采样技术的列级单斜ADC架构。 图3. 列级单斜ADC双模式计数。（a）电路图；（b）工作原理。 J. Semicond. 2022, 43(8): 082401 doi: 10.1088/1674-4926/43/8/082401 7 面向人体健康实时监测的柔性半导体传感器 基于低维半导体材料的高性能柔性传感信息器件，是后摩尔定律时代信息系统的重要组成部分。柔性传感器的物联网应用和个性化医疗管理与服务将是下一代传感信息产业的主要驱动力，并在此基础上探索柔性压力传感器对人体健康、人机交互等具有重要的科学意义。研究高性能柔性压力传感器的设计方法、可控制备、响应原理及创新应用等关键科学技术问题，有望为我国物联网、健康医疗、环境监测等相关产业的战略发展提供有力的支撑。而在高性能柔性压力传感器件的构筑过程中,柔性基底微纳结构表面的构筑是赋予器件高灵敏度的关键，但是目前橡胶基底表面的微纳结构化多基于模板复制技术，要求精细操作耗时长，不利于柔性压力传感器件的大规模、低成本制备。 近日，中科院半导体研究所王丽丽课题组/北京理工大学沈国震课题组通过冷冻干燥方法制备了具有三维联锁网络的混合半导体MXene/rGO气凝胶。这种半导体多孔气凝胶具有轻质和分层的多孔结构，使其可多次压缩和膨胀而不破裂。基于该半导体材料的柔性温度传感器，不仅具有0–40 kPa的宽压力传感范围，而且具有优异的压力响应性能(61.49 kPa-1)。同时该传感器在整个范围内的压力响应准确、稳定。较高的灵敏度保障了传感器在实际应用中的准确性。另外在响应恢复时间上，该传感器也有着良好的表现。这些优异的性能使得该传感器可以应用于人体生理信号的检测，比如脉搏，关节活动等。 这项研究发展了一种制备方法简单、环境友好、成本低廉、适宜大规模生产的超轻半导体气凝胶压力传感器的制备途径，其高柔性及弹性也符合模拟人体皮肤的需求，因此具有重要的应用价值。 图1.（a）半导体MXene/rGO 气凝胶制备流程示意图；（b）半导体MXene/rGO 气凝胶SEM图片；（c）半导体MXene/rGO气凝胶光学图像证明其具有轻质特征；（d）半导体MXene/rGO气凝胶在不同循环下的压缩应力-应变曲线；（e）柔性传感器的结构示意图；（g）器件在不同压力下的IV曲线；（g）手指不同弯曲角度测试；（h）脉搏波测试；（i）单个脉搏波波形放大分析。 Interlocked MXene/rGO aerogel with excellent mechanical stability for a health-monitoring device Shufang Zhao, Wenhao Ran, Lili Wang, Guozhen Shen J. Semicond. 2022, 43(8): 082601 doi: 10.1088/1674-4926/43/8/082601 8 基于6英寸工艺线的4H-SiC CMOS数字门电路的研制 相比于硅材料，碳化硅材料的禁带宽度更宽、临界击穿电场强度更高且热导率更高。因此，基于碳化硅材料，可以制备具有更高阻断电压、更高工作频率和更高工作结温的功率器件。有文献报道，碳化硅功率器件的工作结温可达500 ℃以上。然而，目前碳化硅功率器件的外围电路仍然基于硅材料制备而无法充分发挥碳化硅材料的高温优势。碳化硅功率集成电路，即将碳化硅功率器件和外围的驱动、控制等电路实现单片集成，既能够减小封装等引入的寄生参数的影响也能够显著提升碳化硅功率器件的工作结温。而如何实现碳化硅功率器件和集成电路的工艺集成极为关键。 近日，清华大学王燕教授课题组基于国内的6英寸碳化硅代工工艺线，采用自主设计的器件结构和工艺流程，基于提出的一种金属化工艺方案实现了沟槽型碳化硅 MOSFET 和 CMOS 电路的单片工艺集成，不仅制备出了阻断电压约 1000 V 的沟槽型碳化硅 MOSFET， 还同时实现了碳化硅 CMOS 器件和反相器、 与非门等基本门电路。 利用所制备的碳化硅CMOS门电路可以进一步制造更为复杂的碳化硅集成电路。而且，通过所提出的金属化方法还有助于制备基于碳化硅的功率集成电路。 图1. (a) 碳化硅PMOS器件，(b) 碳化硅NMOS器件，(c) 碳化硅CMOS反相器，(d) 碳化硅CMOS与非门。 图2.（a）碳化硅CMOS反相器电压传输特性曲线，(b) 提取得到的碳化硅CMOS反相器电压增益。 Demonstration of 4H-SiC CMOS digital IC gates based on the mainstream 6-inch wafer processing technique Tongtong Yang, Yan Wang, Ruifeng Yue J. Semicond. 2022, 43(8): 082801 doi: 10.1088/1674-4926/43/8/082801 9 外延层和元胞结构对6.5 kV SiC MOSFET的电学性能的影响 碳化硅(SiC)材料具有带隙宽、临界击穿场强度高的特点，对电力电子设备的高效、小型化起着重要的作用。碳化硅是新型电力电子设备的理想选择，在中高压领域，尤其是智能电网和高速列车，阻断电压大于6.5 kV的SiC器件将有广泛的应用。本文研究了外延材料对6.5 kV SiC MOSFET静态特性的影响，在三个晶圆上制备了不同沟道长度和不同JFET区域宽度的6.5 kV SiC MOSFET，并对其进行了分析。完成了栅氧化物的FN隧穿及器件HTGB和HTRB试验，为中高压SiC MOSFET的产业化提供了数据支持。 图1. 电流密度和阻塞电压随掺杂浓度和外延层厚度的变化而变化。 Influence of epitaxial layer structure and cell structure on electrical performance of 6.5 kV SiC MOSFET Lixin Tian, Zechen Du, Rui Liu, Xiping Niu, Wenting Zhang, Yunlai An, Zhanwei Shen, Fei Yang, Xiaoguang Wei J. Semicond. 2022, 43(8): 082802 doi: 10.1088/1674-4926/43/8/082802
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Research on quantum well intermixing of 680 nm AlGaInP/GaInP semiconductor lasers induced by composited Si-Si3N4 dielectric layer
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