博文
半导体学报2022年第9期——中文导读
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综述
1 超掺杂硅：方法、性能和器件
近日，浙江大学皮孝东教授课题组综述了超掺杂硅的研究进展，首先介绍超掺杂方法，接着针对硅的不同形态如体硅、硅纳米晶体、硅纳米线和硅薄膜分别介绍它们被超掺杂后的电子和光学性能，然后展示了基于超掺杂硅的各种器件如红外光电探测器和太阳电池。
该综述总结了超掺杂方法，为制备超掺杂硅提供了研究思路，对促进超掺杂硅的发展起到了积极的作用，以题为“Hyperdoped silicon: processing, properties and devices”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Hyperdoped silicon: Processing, properties, and devices
Zhouyu Tong, Mingxuan Bu, Yiqiang Zhang, Deren Yang, Xiaodong Pi
J. Semicond. 2022, 43(9): 093101
doi: 10.1088/1674-4926/43/9/093101
研究论文
2 三氟硼酸钾钝化钙钛矿缺陷实现高效率太阳能电池的空气氛围喷涂制备
然而喷涂钙钛矿薄膜相比旋涂工艺所得钙钛矿薄膜缺陷多，包括空位缺陷、间隙缺陷和反位缺陷等，作为器件运行时的非辐射复合中心，这些缺陷阻碍了高性能钙钛矿太阳能电池的实现。其中空位缺陷，如阳离子（MA+/FA+）空位和卤素（I−）空位，由于形成能最低而最容易产生；此外阳离子空位可以诱导其他带负电缺陷的产生，例如配位不足的I−和Pb-I反缺陷（PbI3−），进一步增加了钙钛矿薄膜中的缺陷密度，损害器件性能。空位缺陷还能为离子迁移提供通道，是导致器件出现滞后现象的主要原因之一。采用反溶剂浴、气刀和热风吹等后处理工艺来获得缺陷少的高质量钙钛矿薄膜是当前大面积制备技术中的重点。这些后处理工艺改善了喷涂钙钛矿薄膜的质量，但也增加了器件制备的复杂程度和成本。
近日，武汉理工大学王涛课题组在钙钛矿前驱体中引入三氟硼酸钾（C7H7BF3K）添加剂，在空气氛围中采用一步法制备了效率为19.5%的无滞后钙钛矿太阳能电池，发现C7H7BF3K的BF3−基团中的F能够与钙钛矿阳离子MA+/FA+的氨基中的H形成氢键，从而稳定MA+/FA+，抑制A位阳离子空位的产生，减少非辐射复合，提高器件性能；此外，C7H7BF3K中的K+和减少的MA+/FA+空位可以抑制离子迁移，从而消除器件滞后。该工作证明简单便捷的添加剂工程在喷涂制备高性能钙钛矿太阳能电池方面具有巨大潜力，为进一步实现钙钛矿太阳能电池的规模制备提供了可行方案。
该文章以题为“Defect Passivation with Potassium Trifluoroborate for Efficient Spray-coated Perovskite Solar Cells in Air”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Defect passivation with potassium trifluoroborate for efficient spray-coated perovskite solar cells in air
Chen Gao, Hui Wang, Pang Wang, Jinlong Cai, Yuandong Sun, Cong Yu, Teng Li, Xiaoshuai Zhang, Dan Liu, Tao Wang
J. Semicond. 2022, 43(9): 092201
doi: 10.1088/1674-4926/43/9/092201
3 用于网格型片上光网络的严格无阻塞型四端口光学路由器
片上网络对于多核处理器的片上互连起到了重要作用。然而随着片上多核处理器核心数量的增加和时钟频率的提高，处理器核与核之间需要的带宽需求将会大增。传统的金属连线的电互连方式具有高延迟、高功耗以及低通信带宽的缺点，限制了多核处理器网络的发展。而片上光互连具有大通信带宽和低通信延迟的优点，是提高片上网络互连效率的解决方案之一。
片上光网络由多种光子器件组成，包括路由交换器件、激光器、调制器、光波导、光探测器、复用器、解复用器等。其中光学路由器的核心功能是完成对光学链路的建立或者重构。光学链路是两个网络节点之间的连接路径，它的建立是通过将某个专属波长信号分配至该链路的物理路径上完成的。片上光网络中，光学路由器在根据当前的连接请求对各条光链路进行重构，从而完成路由光信号的功能。因此，光学路由器是片上光网络的核心器件。
近日，中国科学院半导体研究所杨林研究员课题组研制出了一种用于网格型片上光网络的硅基严格无阻塞型四端口光学路由器，该四端口光学路由器具有中心对称的拓扑结构，由8个上下载型微环谐振器组成。该器件采用热光调谐，平均每个工作状态的功耗为32.67 mW，每个工作状态下的功耗在0~51 mW范围内。器件在1547.37 nm工作波长处的光学信噪比大于13.8 dB，可实现40 Gbps高速信号的传输，C波段（1525~1565 nm波长范围）内可以应用波分复用技术扩充至8个波长信道传输。器件总吞吐量可达1.28 Tbps，平均功耗效率为25.52 fJ/bit。
该四端口光学路由器性能优异，具有解决片上互连问题的潜力。
该文章以题为“Strict Non-blocking Four-port Optical Router for Mesh Photonic Network-on-chip”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. 严格无阻塞四端口光学路由器的显微照相图。
图2. 囊括了全部12条光学链路的三种典型路由状态下的光信号和串扰的传输谱线，其中OSNR为链路的光学信噪比，P为对应路由状态的电学功耗。
文章信息：
Strict non-blocking four-port optical router for mesh photonic network-on-chip
Yuhao Xia, Shanglin Yang, Jiaqi Niu, Xin Fu, Lin Yang
J. Semicond. 2022, 43(9): 092301
doi: 10.1088/1674-4926/43/9/092301
4 利用水合五氧化二钒纳米胶囊实现的有机体异质结高响应自驱动光电探测器 本文论证了一种利用低成本的溶液加工技术制造有机基质器件的方法。室温条件下，在ITO镀膜玻璃衬底上制备了由氯取代的二维共轭聚合物PBDB-T-2Cl和PC71BM负载的纳米胶囊水合五氧化钒（HVO）构成的混合异质结光电探测器，其中PC71BM负载的纳米胶囊水合五氧化钒（HVO）可作为空穴传输层（HTL）。该器件形成了一个整流比为~200的出色的有机结二极管，在光导模式（反向偏置）和零偏置下对绿光波段表现出优异的光探测性能。本文报道了~6500 mA/W的高响应率和1400%的高外量子效率（EQE）。该有机光电探测器表现出卓越的响应时间和恢复时间，分别为~30 ms和~40 ms。 Organic bulk heterojunction enabled with nanocapsules of hydrate vanadium pentaoxide layer for high responsivity self-powered photodetector Hemraj Dahiya, Anupam Agrawal, Ganesh D. Sharma, Abhishek Kumar Singh J. Semicond. 2022, 43(9): 092302 doi: 10.1088/1674-4926/43/9/092302 5 实现1.7 dBm输出功率和45 dB基波抑制比的E波段四倍频器 智能感知毫米波雷达系统在未来生活中有着广泛应用前景，成为当前研究热点。毫米波雷达具有探测距离远、不易受环境影响、抗干扰能力强等特性，满足智能家庭、自动驾驶等需求从而备受关注。毫米波雷达系统需要具有良好相位噪声性能、频谱纯净度高，功耗较低同时满足设计要求摆幅的宽带频率源；直接通过压控振荡器获得高频毫米波频段信号受到电感、可变电容等器件品质因数的限制，其性能难以达到系统要求。由文献比较发现，80 GHz与20 GHz压控振荡器相位噪声性能恶化近24 dB，与理论值相差12 dB。为突破这一限制，可采用相对低频率的压控振荡器级联四倍频器，实现宽带、高谐波抑制、低相位噪声的毫米波频率综合器 近日，东南大学赵涤燹教授课题组采用级联双推式倍频器和基于变压器的滤波器设计实现了高输出功率及高谐波抑制的E波段四倍频器。他们在该工作中分析了双推式及Cascode-双推式倍频器中晶体管漏极电流的谐波分量，通过调节晶体管尺寸及工作状态获得高转换增益且低功耗的四倍频器。同时，使用低耦合系数变压器进行级间匹配保证四倍频器工作带宽，实现四次谐波1.5 dB带宽大于6 GHz。此外，在输出级用变压器构造二极点/一零点的三阶带通滤波器，使得二次谐波抑制比提高7 dB。测试结果显示：该四倍频器最大输出功率为1.7 dBm，最大转换增益3.4 dB，基波抑制比大于45 dB。 该四倍频器的相位噪声影响可忽略，获得的77 GHz信号源相位噪声性能接近理论值，实现了低功耗、大宽带、高纯净度等指标要求，为智能感知毫米波雷达系统前端芯片设计提供了便利。 该文章以题为“An E-band CMOS frequency quadrupler with 1.7-dBm output power and 45-dB fundamental suppression”发表在Journal of Semiconductors上。 Xiaofei Liao, Dixian Zhao, Xiaohu You J. Semicond. 2022, 43(9): 092401 doi: 10.1088/1674-4926/43/9/092401 6 二维磁性半导体Fe-SnS2同质结中大的不饱和磁电阻 磁电阻效应一直是凝聚态物理领域中非常重要的研究方向之一，其中二维磁性材料在磁电阻效应的研究中也吸引了很多的关注。各种新型二维磁性材料的合成激发了研究者对二维磁性材料与器件研究的热情。然而，令人遗憾的是，大多数具有本征磁性的二维材料是不稳定的，对空气极其敏感，这给它们的实际应用提出了更多要求，也带来了很多困难。磁性半导体具有电荷和自旋的双重属性，而且具有广泛可调的性质，是未来自旋电子器件的重要组成部分。这样，在空气中仍能保持高稳定性的二维磁性半导体材料在磁性器件的研究中将具有无可比拟的优势。 中国科学院半导体研究所魏钟鸣团队和北京大学廖志敏团队合作利用Fe原子掺杂的二维半导体材料SnS2 （Fe-SnS2）构建的同质结，研究了在该同质结器件中存在大的不饱和磁电阻效应。Fe-SnS2是一种掺杂磁性元素的二维磁性半导体，具有非常优异的稳定性，在空气中仍能稳定保持。通过低温输运测量表明，该同质结器件表现出完全不同于原始纯SnS2材料的抗磁特性。在平行磁场（磁场平行于样品平面）下磁电阻值高达1800%，垂直磁场（磁场垂直于样品平面）下磁电阻值也高达600%，这表现出明显的磁电阻各向异性特征。Fe-SnS2同质结的磁电阻值比同等条件下纯SnS2的表现大了一个数量级还要多。基于二维磁性半导体Fe-SnS2的同质结器件具有高的磁电阻值和明显的磁电阻各向异性，这在磁性半导体的研究中并不常见，是对磁性半导体研究的重要补充。加上Fe-SnS2的高稳定性，这使得Fe-SnS2同质结在未来的磁存储等领域的应用中具有重要的潜力。该工作也为二维磁性半导体的进一步研究和更多功能的实现提供思路。 图1. Fe-SnS2同结器件原理图。 J. Semicond. 2022, 43(9): 092501 doi: 10.1088/1674-4926/43/9/092501 7 弯曲条件下柔性衬底上InP异质结双极型晶体管的射频特性 在过去的十年中，柔性电子产品已经得到广泛的应用，如显示器、太阳能电池、可穿戴电子产品、生物医学设备等。通常情况下，大多数柔性电子器件主要基于非晶/多晶硅、有机或石墨烯/碳管材料，这些材料主要工作在低频条件下。随着无线通信和物联网应用的迅速发展，上述柔性电子产品由于载波移动性较低，已不能满足高频段高速、大带宽的要求。因此，对更高频率、更高速度的高性能射频晶体管的需求很大。为了满足高频和机械灵活性的要求，各种类型的材料和制造工艺已被探索用于射频应用。在传统电子产品中使用的III-V化合物半导体材料，如GaAs和InP，也因其优越的性能而被看好。基于GaAs的柔性衬底器件的fT和fMAX分别为37.5 GHz和6.9 GHz，另外通过将InP高电子迁移率晶体管转移到柔性衬底上，实现了最高fT和fMAX分别为160 GHz和290 GHz。尽管高频高速柔性器件取得了阶段成功，但大规模运用仍然存在一些关键的挑战，目前还没有任何研究能够在晶圆尺度上实现高性能柔性电子器件，这也限制了射频柔性电子器件的广泛应用。 近日，东南大学张彤教授课题组基于前期报道的柔性衬底InP异质结双极型晶体管（InP DHBT）制备技术，提出了一种InP DHBT与柔性衬底之间的BCB键合优化工艺，基于该工艺获得了目前文献报道最高的截止频率fT = 358 GHz和振荡频率fMAX = 530 GHz。并且本文评估了两种不同BCB厚度下InP DHBT在柔性衬底上的热阻，测试了对应不同热阻下对器件直流和高频特性的影响。此外，本文还比较了不同弯曲半径下的InP DHBT器件的射频性能，弯曲半径的减小会导致器件高频性能的轻微下降，弯曲态的fT和fMAX降低了约8.5%。 基于化合物半导体的柔性器件具有高频、高速的优势，未来可应用于无线通信、物联网等高速需求。 该文章以题为“RF characterization of InP double heterojunction bipolar transistors on a flexible substrate under bending conditions”发表在Journal of Semiconductors上。 图1. (a) 柔性衬底InP DHBT器件结构图；(b) 原始InP DHBT和两种不同BCB厚度下柔性衬底InP DHBT的热阻；(c) 原始InP DHBT和两种不同BCB厚度下柔性衬底InP DHBT的IC-VCE；(d) 原始InP DHBT和两种不同BCB厚度下柔性衬底InP DHBT的fT和fMAX。 RF characterization of InP double heterojunction bipolar transistors on a flexible substrate under bending conditions Lishu Wu, Jiayun Dai, Yuechan Kong, Tangsheng Chen, Tong Zhang J. Semicond. 2022, 43(9): 092601 doi: 10.1088/1674-4926/43/9/092601 8 斜切蓝宝石衬底上外延生长的氧化镓薄膜及其特性研究 氧化镓（β-Ga2O3）薄膜材料是目前宽禁带半导体材料领域研究的热点，这种材料在日盲紫外探测和功率器件等方面有着广泛的应用前景。采用斜切(mis-cut)的衬底能有效抑制外延层的缺陷。这种技术被广泛应用于GaN等材料体系的外延生长中，也有将其应用于氧化镓薄膜外延领域的报道。近日，中科院半导体研究所成步文研究员课题组采用MOCVD研究不同斜切角度的蓝宝石衬底上的氧化镓生长技术。研究结果表明斜切的蓝宝石衬底可以明显改善氧化镓材料的外延晶体质量。这对研究氧化镓薄膜异质外延生长及促进其应用有着积极的作用。 图1. 不同斜切角度的蓝宝石衬底上外延氧化镓薄膜：(a) (-201)面的摇摆曲线和 (b) FWHM值。 Growth and characterization of β-Ga2O3 thin films grown on off-angled Al2O3 substrates by metal-organic chemical vapor deposition Yabao Zhang, Jun Zheng, Peipei Ma, Xueyi Zheng, Zhi Liu, Yuhua Zuo, Chuanbo Li, Buwen Cheng J. Semicond. 2022, 43(9): 092801 doi: 10.1088/1674-4926/43/9/092801 9 氢等离子体处理β-Ga2O3薄膜的电学与光学性质研究 β-Ga2O3具有超宽的禁带宽度（~4.9 eV）、较高的击穿电场（~8 MV/cm）以及稳定的化学性质，在大功率器件及日盲紫外探测领域有广阔的应用前景。器件应用要求对β-Ga2O3中导电类型及载流子浓度进行精确调控，然而，直接合成的非故意掺杂β-Ga2O3往往具有强n型的背景电导，由此产生的补偿效应阻碍了其p型掺杂的实现以及对其载流子浓度的精确控制，因此对β-Ga2O3的n型背景电导的研究十分重要。目前有研究者提出β-Ga2O3的n型背景电导来源于非故意掺杂的氢引入的浅施主。此外，有研究者表明氢也能与其他缺陷形成复合体，例如，镓空位与四个氢原子的复合体表现为n型导电。目前，大多数氢相关的缺陷研究均基于β-Ga2O3单晶材料或同质外延层，且缺乏氢掺杂对材料性质影响的系统研究。 近日，中国科学院半导体研究所和北方工业大学在单晶蓝宝石衬底上成功异质外延β-Ga2O3薄膜，并系统研究了氢等离子体处理对β-Ga2O3薄膜电学与光学性质的影响。结果表明，异质外延的β-Ga2O3薄膜具有较高的晶体质量，其XRD摇摆曲线半高宽为1.29o，且氢等离子体处理后，β-Ga2O3薄膜的晶体质量基本保持不变。氢等离子体处理后，β-Ga2O3薄膜的电导率显著提升，极有可能是间隙氢引入的浅施主态所致，而不同温度下（80-300 K）载流子浓度保持稳定，证明引入的氢施主完全电离。此外，氢等离子体处理后缺陷相关的PL发光峰强度显著降低，是由于引入的氢原子与β-Ga2O3薄膜中缺陷或受主杂质复合，进而表现出钝化作用。 通过氢等离子体处理进行β-Ga2O3薄膜的氢掺杂，不仅提供了一种β-Ga2O3薄膜的新的掺杂方法，同时该工作也加深了对β-Ga2O3的n型背景电导的理解，推动了β-Ga2O3基器件实际应用的进程。 该文章以题为“Electrical and optical properties of hydrogen plasma treated β-Ga2O3 thin films”发表在Journal of Semiconductors上。 图1.（a）氢等离子体处理的β-Ga2O3薄膜SIMS深度剖析；β-Ga2O3薄膜氢等离子处理前后的（b）Raman光谱、（c）XRD谱、（d）摇摆曲线、（e）UV-vis吸收光谱及Tauc图和（f）PL光谱。 图2. β-Ga2O3薄膜（a）电阻和（b）霍尔测试数据与氢等离子体处理时间的关系；β-Ga2O3薄膜（c）电阻和（d）霍尔测试数据与氢等离子体处理中RF功率的关系；β-Ga2O3薄膜（e）电阻和（f）霍尔测试数据与氢等离子体处理中氢流量的关系。 Electrical and optical properties of hydrogen plasma treated β-Ga2O3thin films Qian Jiang, Junhua Meng, Yiming Shi, Zhigang Yin, Jingren Chen, Jing Zhang, Jinliang Wu, Xingwang Zhang J. Semicond. 2022, 43(9): 092802 doi: 10.1088/1674-4926/43/9/092802 10 采用p-InGaN/p+-GaN接触层的Ni/Pd基p型欧姆接触 氮化物材料由于其宽禁带、电子迁移率高等特点，在光电子和电力电子领域有着广泛的应用。p型欧姆接触影响器件的性能和可靠性，实现低阻、可重复性好的p型欧姆接触对于氮化镓（GaN）基光电器件，特别是在高电流密度工作下的激光器非常重要。 近日，中科院苏州纳米所刘建平课题组通过采用在薄层（20~30 nm）的p-InGaN/p+-GaN接触层上沉积Ni/Pd 金属，获得了低阻的p型欧姆接触。在工作中研究了表面预处理和退火温度对接触的影响，最佳退火温度为550 ℃，当温度高于该温度时，薄层电阻增大。与单一的Ni接触层相比，含Pd金属体系的比接触电阻率低约35%，采用p-InGaN/p+-GaN复合接触层结构的比接触电阻率比单一的p+-GaN接触层的比接触电阻率降低一到两个数量级，最后还研究了比接触电阻率与电流密度的关系，在接近激光器正常工作电流密度下测得比接触电阻率最小为ρc = 4.9 x 10-5 Ω·cm2 @ J = 3.4 kA/cm2。 在p-InGaN/p+-GaN接触层上沉积Ni/Pd金属体系有助于改善p型欧姆接触，通过优化退火温度和接触层结构有助于获得更低的比接触电阻率，对GaN基器件，特别是GaN基激光器具有重要的实用价值。 该文章以题为“Ni/Pd-based ohmic contacts to p-GaN through p-InGaN/p+-GaN contacting layers”发表在Journal of Semiconductors上。 图1. （a）三种不同接触层结构比接触电阻率与退火温度关系；(b) 对应的三种接触耗尽区附近的模拟价带曲线。(样品A、B、C三种接触结构分别为：p+-GaN/Ni/Au、p+-GaN/p-InGaN/Ni/Au、p+-GaN/p-InGaN/Ni/Pd/Pt/Au） 图2. 不同电流密度下的比接触电阻率（样品B和C在550 ℃下退火处理）。 Ni/Pd-based ohmic contacts to p-GaN through p-InGaN/p+-GaN contacting layers Minglong Zhang, Masao Ikeda, Siyi Huang, Jianping Liu, Jianjun Zhu, Shuming Zhang, Hui Yang J. Semicond. 2022, 43(9): 092803 doi: 10.1088/1674-4926/43/9/092803
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An E-band CMOS frequency quadrupler with 1.7-dBm output power and 45-dB fundamental suppression
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