随着特征尺寸的缩小，等离子体刻蚀技术在上世纪80年代得到了广泛的应用，并引起了人们对精确图形转移技术的极大关注。近年来，第三代半导体GaN基材料器件的发展，对其微尺寸刻蚀可控性的要求进一步提高。例如，低损伤蚀刻是GaN HEMT（高电子迁移率晶体管）制造过程中的关键技术要求，因为高刻蚀损伤可能导致器件振荡或超调，从而导致器件损坏失效。通常，刻蚀是一个连续且同时的过程，连续工艺有利于实现高蚀刻速率；然而，刻蚀形貌的可控性较差。原子层刻蚀是一种利用自限制反应去除材料原子层的技术。原子层刻蚀突破了传统连续刻蚀的局限性，在GaN材料上已经得到了很好的体现，更适合于实现GaN/AlGaN精确刻蚀与低损伤刻蚀。等离子体原子层刻蚀技术中，改性步骤与去除步骤单独分开，并添加吹扫步骤减少干扰，可以通过调节等离子体的能量进行精准可控的刻蚀。在纳米尺度上，不同体系GaN/AlGaN原子层刻蚀均可实现原子层级别的刻蚀量，减少刻蚀带来的损伤。GaN/AlGaN原子层刻蚀使GaN基材料的应用领域得到显著拓展；同时，原子层刻蚀技术在微纳制造业中展示出越来越重要的作用，为半导体工业的发展起到了巨大促进作用。

近日，江苏师范大学许开东、庄仕伟课题组综述了GaN/AlGaN材料等离子体原子层刻蚀的研究进展。首先介绍了GaN基材料与应用以及目前GaN刻蚀的常用方法。分别针对O₂-BCI₃体系、氯基-惰性气体体系的GaN/AlGaN原子层刻蚀进行综述，介绍了各自刻蚀量、刻蚀表面的粗糙度、原子层刻蚀的协同效果和电学性能，展示了相对于传统连续等离子体刻蚀，原子层刻蚀技术的刻蚀量精准可控性与其对优化器件良率的优势。

该文章以题为“Plasma atomic layer etching of GaN/AlGaN materials and application: An overview”发表在Journal of Semiconductors上。

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Plasma atomic layer etching of GaN/AlGaN materials and application: An overview

Lulu Guan, Xingyu Li, Dongchen Che, Kaidong Xu, Shiwei Zhuang

J. Semicond, 2022, 43(11): 113101. doi: 10.1088/1674-4926/43/11/113101

随着人工智能的快速发展，并行高效处理大量数据的方法亟待开发。然而，具有冯诺依曼架构的传统计算机通常无法处理非结构化的信息。目前，构筑突触功能器件有望为开发类脑芯片提供基本的信息处理单元。相比于电信号刺激，光激发的突触器件具有低功耗、高带宽、抗干扰能力强、高能效和超快信号传输等诸多优点，近年来受到广泛关注并取得快速发展。

近日，中南大学阳军亮教授、孙佳教授课题组与香港城市大学何颂贤教授课题组利用C8-BTBT和InGaAs纳米线共混溶液制备高性能异质结薄膜。基于有机/无机异质结的光突触晶体管成功地模仿了类脑突触行为，包括兴奋性突触后电流、双脉冲异化和长程增强/抑制等。相比于单独C8-BTBT薄膜，具有Ⅰ型异质结结构的C8-BTBT和InGaAs共混薄膜能够抑制C8-BTBT薄膜光生载流子复合，产生持续光电导效应；结合光电协同调控，成功模拟巴甫洛夫神经反射；进而构建了单层感知神经网络硬件，实现了89.72 %识别率。有机/无机共混薄膜异质结可以为高性能光电突触器件的制造提供新的思路。

该文章以题为“Hybrid C8-BTBT/InGaAs nanowire heterojunction for artificial photosynaptic transistors”发表在Journal of Semiconductors。

图1.（a）大脑连接和生物突触工作原理示意图。(b, c) 分别C8-BTBT 和 C8BTBT/InGaAs器件受光脉冲刺激下的 EPSC。(d) 从EPSC中提取的ΔW随时间的变化值。(e, f) 分别基于 C8-BTBT 和 C8-BTBT/InGaAs器件的光脉冲PPF测量。(g) PPF的指数衰减和拟合曲线。

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Hybrid C8-BTBT/InGaAs nanowire heterojunction for artificial photosynaptic transistors

Yiling Nie, Pengshan Xie, Xu Chen, Chenxing Jin, Wanrong Liu, Xiaofang Shi, Yunchao Xu, Yongyi Peng, Johnny C. Ho, Jia Sun, Junliang Yang

J. Semicond. 2022, 43(11): 112201  doi: 10.1088/1674-4926/43/11/112201

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随着局域网、无线移动通信和数据中心中数据流量的快速增长，近年来，研究者对高速、低功耗、低成本和高集成度的光收发器展开了广泛研究。其中，硅光子集成由于结构紧凑、功耗低和与CMOS工艺兼容，是下一代光互连器件的极具前景的平台。为了实现更高的比特率，可以采用波分复用（WDM）和并行单模四通道（PSM4）技术。另一方面需要进一步提高单个波长的通讯速率，例如每波长200 Gb/s，简单的开-关键控（OOK）格式可能不再是可行的方法，因为在这种情况下，调制器和光电探测器的电光（EO）带宽需要大于100 GHz，这给光电器件设计带来很大的挑战。采用高阶调制格式被广泛研究，如多级脉冲幅度调制（PAM）、正交幅度调制（QAM）、离散多频调调制（DMT）。例如中国信息通信科技集团有限公司等单位展示了总速率800 Gb/s的PAM4四通道硅光发射器，但硅调制器一般带宽有限且损耗较大，需要与驱动器一起进行复杂的协同设计和优化。

薄膜铌酸锂（TFLN）平台由于其优异的材料性能，包括线性较好的Pockels效应、较宽透明窗口和优异的温度稳定性，最近已成为光通信、量子光子学和微波光子学的新型光子集成平台。高速电光调制器是光发射芯片的关键功能部件，近几年各单位已在TFLN平台上提出并实现了各种类型调制器，如马赫-曾德尔干涉仪（MZI）调制器、迈克尔逊干涉仪调制器、布拉格光栅调制器、法布里-珀罗调制器，可实现其带宽大于100 GHz，插入损耗小于1 dB。最近，哈佛大学采用倒装焊键合DFB外部激光器，在TFLN平台上演示了PSM4光发射芯片，每个信道的EO带宽为50 GHz，半波电压为4.3 V。

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Four-channel CWDM transmitter chip based on thin-film lithium niobate platform

Kaixuan Chen, Gengxin Chen, Ziliang Ruan, Xuancong Fan, Junwei Zhang, Ranfeng Gan, Jie Liu, Daoxin Dai, Changjian Guo, Liu Liu

J. Semicond. 2022, 43(11): 112301  doi: 10.1088/1674-4926/43/11/112301

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锑化物具有带隙窄、迁移率高等优点，被认为是实现新一代高性能红外探测器和高速芯片的理想沟道新材料。后摩尔时代的光电子器件对微型化和高性能的双重高要求开启了锑化物低维结构与光电器件研究的新时代。作为典型的低维结构，纳米线的晶体取向性强，尺寸越小其表面原子数占比越高，对外部变量更加灵敏。因此，大面积生长高质量锑化物纳米线成为我们必须自主可控的关键技术，开发新性能和拓展新应用是研发和提前布局新一代红外探测器和高速芯片的基础。

在过去的十年里，山东大学杨再兴教授围绕锑化物低维结构与光电器件开展了小直径锑化物纳米线的可控生长、性能调控、器件研究工作。解决了“趋肤效应”导致锑元素分布不均匀，高质量锑化物纳米线生长不可控（ACS Appl. Mater. Inter. 2013, 5, 10946；Nat. Commun. 2014, 5, 5249；Adv. Opt. Mater. 2022, 10, 2102291）；表面缺陷、反位缺陷和高载流子浓度导致载流子输运的散射作用强，锑化物纳米线的载流子迁移率低（ACS Nano 2015, 9, 9268; ACS Nano 2017, 11, 4237; ACS Nano 2018, 12, 10410; Small 2021, 17, 2102323）以及表面费米能级钉扎效应导致器件的金-半接触势垒不可调，红外探测性能差(Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1800256; Nano Lett. 2019, 19, 5920; Nano Res. 2021, 14, 3961; Small 2022, 18, 2200415）三个科学难题。在本研究中，杨再兴教授课题组利用CMOS兼容的金属Ag作为催化剂成功辅助生长出GaSb 纳米线，并验证了生长的纳米线具有均匀的形貌、平衡的化学计量、高质量的结晶度和相纯度。通过构建背栅场效应晶体管，研究了所生长的纳米线的电学性能，显示出高达10⁴的开关比和高达400 cm²/(V·s)的峰值空穴迁移率。基于良好的电学特性和机械弹性，所制备的GaSb纳米线基柔性近红外光电探测器具有良好的光响应性和高灵敏度，响应率高达618 A/W，探测率高达6.7×10¹⁰ Jones。即使经过1200个循环的平行和垂直折叠，近红外光探测性能也没有明显下降。可见，本工作中银催化生长的GaSb纳米线是未来柔性红外光电探测器的有竞争力的半导体材料之一。

该文章以题为“Ag-catalyzed GaSb nanowires for flexible near-infrared photodetectors”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 利用CMOS兼容金属Ag作为生长催化剂，可控生长GaSb NWs。(a-c) 制备ag催化GaSb NWs的SEM图像、直径和长度统计及XRD谱图。(d) GaSb NW的HRTEM图像，插入为FFT图像。(e) 单个GaSb NW的TEM扫描图像。(f) 西北尖端和本体的EDS。

图2. 制备GaSb NW柔性光电探测器的近红外光探测行为。(a) 预制柔性光电探测器在不同弯曲半径下的照片。(b) 弯曲前在850、1310和1550 nm激光0.1 V偏置照射下柔性光电探测器的时间分辨光响应。(c) 弯曲不同周期后，光电探测器在1550 nm激光照射下的时间分辨光响应。

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Ag-catalyzed GaSb nanowires for flexible near-infrared photodetectors

Zixu Sa, Fengjing Liu, Dong Liu, Mingxu Wang, Jie Zhang, Yanxue Yin, Zhiyong Pang, Xinming Zhuang, Peng Wang, Zaixing Yang

J. Semicond. 2022, 43(11): 112302  doi: 10.1088/1674-4926/43/11/112302

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5 (Ba,Na)F(Zn,Mn)Sb：一种电荷和自旋可分别调控的磁性半导体

磁性半导体同时结合半导体和磁学的特征，是自旋电子学领域的一个重要研究方向。受限于材料制备手段和其内在的属性，被广泛接受的诸如(Ga,Mn)As薄膜和(Ba,K)(Zn,Mn(Zn,Mn)₂As₂)单晶等磁性半导体的居里温度尚远低于室温，不能够实际应用。探索制备具有新型化学结构、更高居里温度的磁性半导体新材料仍然十分必要。

近日，浙江大学宁凡龙教授课题组报道了一种新型的1111-型磁性半导体(Ba,Na)F(Zn,Mn)Sb，其与铁基超导体La(O,F)FeAs具有相同的四方ZrSiCuAs型晶格结构。通过在母体BaFZnSb中的Ba位掺入Na和Zn位掺入Mn，分别引入了载流子和局域磁矩。Na和Mn共掺杂时，铁磁相互作用形成。2 K下的等热磁化强度曲线表明样品的矫顽力约为12000 Oe。交流磁化率测量结果表明样品在自旋冻结温度Tf以下演化为自旋玻璃态。此外，电阻的测量结果表明(Ba,Na)F(Zn,Mn)Sb依然表现出半导体行为。(Ba,Na)F(Zn,Mn)Sb的制备丰富了现有的磁性半导体体系，为新材料的发展提供了新的思路。

该文章以题为“(Ba_1-xNa_x)F(Zn_1-xMn_x)Sb: A novel fluoride-antimonide magnetic semiconductor with decoupled charge and spin doping”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. (a) 场冷(FC)条件下，母相BaFZnSb和(Ba_0.95Na_0.05)FZnSb的M(T)曲线; (b) 多晶样品(Ba_1-xNa_x)F(Zn_1-xMn_x)Sb的场冷(FC)及零场冷(ZFC)条件下的M(T)曲线；(c) 由居里-外斯拟合结果做出的1/(χ-χ₀)与温度的关系曲线(实线为线性拟合)；(d) 样品(Ba_1-xNa_x)F(Zn_1-xMn_x)Sb在2 K时的磁化强度曲线。

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(Ba_1−xNa_x)F(Zn_1−xMn_x)Sb: A novel fluoride-antimonide magnetic semiconductor with decoupled charge and spin doping

Xueqin Zhao, Jinou Dong, Licheng Fu, Yilun Gu, Rufei Zhang, Qiaolin Yang, Lingfeng Xie, Yinsong Tang, Fanlong Ning

J. Semicond. 2022, 43(11): 112501  doi: 10.1088/1674-4926/43/11/112501

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6 绝缘铁磁半导体中因跃迁产生的庞负磁电阻效应

自旋电子学（Spintronics），是一门新兴的学科和技术。它利用电子的自旋和磁矩，使固体器件中除电荷输运外，还加入电子的自旋和磁矩。许多新材料，例如磁性半导体（包括稀磁半导体和铁磁半导体）、半金属等，近年来被广泛地研究，以求能有符合自旋电子元件应用所需要的性质。铁磁半导体（ferromagnetic semiconductor）是一种同时体现铁磁性和半导体特性的半导体材料。由于材料的自发磁化产生的内部磁场，在理论上可以实现自旋注入率接近百分之百的自旋极化。这导致自旋电子学的一个重要应用，例如自旋晶体管（spin transistors）。近年来，利用低温分子束外延技术（LT-MBE）生长的Mn掺杂III-V族铁磁半导体等，以(Ga,Mn)As为代表，引起了人们的高度关注。这些III-V族铁磁半导体很容易与III-V族非磁性半导体等结合形成异质结构，呈现出自旋相关的散射、层间相互作用耦合、巨磁阻（GMR），隧穿磁阻（TMR），自旋轨道力矩等现象。然而(In,Mn)As和(Ga,Mn)As的居里温度分别低于90 K和200 K，尚不能满足实际工作要求。因此，提高铁磁半导体的居里温度、探索新的磁性半导体材料已经成为半导体自旋电子学研究的一个热点。

(Ga,Mn)As通常呈现出和居里温度相关的金属-绝缘体转变现象，但仅限于足够低的Mn掺杂浓度，这也同时削弱材料中铁磁交换相互作用。铁磁性半导体(Ga,Mn)(As,P)可以在保持铁磁性质的同时，呈现出金属-绝缘体过渡的状态，使研究者可以研究在铁磁状态下的金属-绝缘体转变现象，为探索高温磁性半导体材料提供新的视角。这也会加深对铁磁半导体中铁磁机制的认识，加速探索新的性能和应用。

近日，圣母大学佛第纳教授课题组在(Ga,Mn)(As,P)薄膜中，应用电荷载流子的莫特变程跃迁理论，成功诠释了铁磁半导体在低温下经历金属-绝缘体转变的机制。他们在这项工作中，系统研究低温下与饱和磁矩共存的庞负磁电阻效应（colossal negative magnetoresistance）。通过分析特定磁场下电阻率的温度变化性，他们证明低温庞负磁电阻效应可以由在磁场作用下局域化长度和迁移率边的演变来描述。这种机制可能是由(Ga,Mn)(As,P)薄膜中Mn 原子和P 原子的空间分布的无序性导致，与磁场对安德森局域化的抑制作用有关。此外，通过详细分析电阻率随温度变化的指数标度，他们也证实了(Ga,Mn)(As,P)薄膜的导电过程中存在最近邻跳跃机制和埃弗罗斯和什克洛夫斯基变程跃迁机制之间的转变，揭示出电荷间库仑相互作用对庞负磁电阻效应的影响。

该文章以题为“Colossal negative magnetoresistance from hopping in insulating ferromagnetic semiconductors”发表在Journal of Semiconductors上

图1.（a）Ga_0.94Mn_0.06As_0.79P_0.21在T = 5K 处，磁化强度与沿垂直于平面方向（[001] 轴）施加的磁场的关系。插图：在 B = 2 mT 处磁化强度与温度的关系。（b）Ga_0.94Mn_0.06As_0.79P_0.21 和（c）Ga_0.94Mn_0.06As_0.79P_0.21在选定温度下，电阻率随沿 [001] 轴施加的磁场的变化。

图2. Ga_0.94Mn_0.06As_0.79P_0.21，（a）对于较高温度，在不同磁场下电阻率与 1/T 标度的关系；（b）对于较低温度，在不同磁场下电阻率与 T^-1/2 标度的关系。（c）不同温度下，磁阻与磁场在对数标度下的关系，曲线：朗之万函数拟合曲线。

文章信息：

Colossal negative magnetoresistance from hopping in insulating ferromagnetic semiconductors

Xinyu Liu, Logan Riney, Josue Guerra, William Powers, Jiashu Wang, Jacek K. Furdyna, Badih A. Assaf

J. Semicond. 2022, 43(11): 112502  doi: 10.1088/1674-4926/43/11/112502

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7 硅和砷化镓太阳能电池的高功率微波响应特性

作为卫星能源系统中的关键部件，太阳能电池的可靠性对卫星的正常运转至关重要。而高功率微波（HPM）作为电磁脉冲中的一种，可以通过“前门”或“后门”耦合进入电子系统，从而影响其正常工作甚至导致其严重故障。通常，太阳能电池中暴露外部的阴极细线可被视为天线，所以HPM通过阴极耦合到内部并产生高振幅电流脉冲，影响内部电子器件的正常运行，甚至影响航天器的电子系统，比如卫星太阳翼，从而影响航天器的可靠性和寿命。因此，研究太阳能电池的HPM响应特性非常重要。在太阳能电池中，硅太阳能电池、高效率GaAs太阳能电池、多结太阳能电池或其组合多应用于卫星。其中，硅太阳能电池由于制备技术成熟、价格低廉等因素，较早应用于卫星中；而砷化镓太阳能电池光电转换率较高，耐辐射性和高温性较好，如今在卫星太阳能电池中占有重要地位。目前，关于两种太阳能电池的高功率微波响应特性研究非常少。

近日，西安电子科技大学柴常春教授课题组对两种太阳能电池不同HPM下的响应特性进行了分析探讨。结果表明，两种太阳能电池在热点分布和损伤机理上有异同之处，与注入HPM信号的幅值有关。硅太阳能电池上有一个热点，最终在阴极附近由于焦耳热积累被烧毁，且注入信号的负半周对太阳能电池的损耗贡献最大。相同条件下，砷化镓太阳能电池有两个热点，一个类似于硅太阳能电池，另一个靠近其阳极背表面场，主要烧毁机理为雪崩击穿，其烧毁脉冲宽度小于硅太阳能。当HPM的频率不变，幅值降低至一定阈值179.94 V以下，GaAs太阳能电池的热点烧毁的主要机理从雪崩击穿转变为焦耳热积累，且烧毁脉宽高于硅太阳能电池。此外，发现与载波频率相比，占空比高的重频更有助于太阳能电池的烧毁，尤其是当温度达到1000 K时，硅太阳能电池更可能被烧毁。

本研究为今后损伤评估技术和提高太阳能电池可靠性提供一定的参考，并为其应用防护和太阳能电池材料的选择提供建议。

该文章以题为“High-power microwaves response characteristics of silicon and GaAs solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。

图1.（a）硅太阳能电池热点处电场方向分布图；（b）砷化镓太阳能电池热点分布图；（c）HPM信号幅值变化图，及硅太阳能电池的峰值温度随时间变化图；（d）HPM信号幅值变化图，及砷化镓太阳能电池的峰值温度随时间变化图。

图2. 不同占空比或载波频率的重频幅值变化图，以及注入信号后两种太阳能电池的温度变化图。（a）载波频率相同，占空比为25%；（b）载波频率相同，占空比为75%；（c）占空比相同，载波频率为2 GHz；（d）占空比相同，载波频率为5 GHz。

文章信息：

High-power microwaves response characteristics of silicon and GaAs solar cells

Xiangrui Meng, Changchun Chai, Fuxing Li, Yi Sun, Yintang Yang

J. Semicond. 2022, 43(11): 112701  doi: 10.1088/1674-4926/43/11/112701

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8 通过电子俘获率的第一性原理研究阐释β-Ga2O3中电子“杀手”的原子来源

超宽带隙半导体β-Ga₂O₃因其近4.9 eV的带隙、击穿电场高的特点和在高功率器件、光电领域的应用前景而成为新一代半导体热门材料，其材料生长、掺杂调控、器件制备等方面的研究已非常广泛。由于深能级缺陷易俘获电子或空穴，增强载流子散射，降低载流子迁移率，对器件的性能产生重大的影响，因此大量实验工作对β-Ga₂O₃带隙中的深能级进行了测量和研究。实验发现β-Ga₂O₃导带底下存在三个重要的深能级(如图1中E₁, E₂, E₃所示)，其原子来源与缺陷结构仍在不断讨论中。

中科院半导体研究所骆军委教授课题组对β-Ga₂O₃中与电子俘获紧密相关的Ti、Fe替代Ga的替位缺陷进行了研究，通过计算缺陷能级和电子俘获系数并与实验值进行比较、分析，确认Ti替代Ga为E₁和E₃的来源，而Fe替代Ga不是E₂的来源。该工作对E₂的来源也进行了进一步的讨论，综合俘获截面、缺陷能级、重整能等参数（如图2所示），推测C_Ga等可能与E₂有关，排除了文献报道的V_O和Sn_Ga的可能性。

图1. 计算得到的Ti_Ga、Fe_Ga的缺陷能级与DLTS实验测得的缺陷能级的对比。所有能级参考CBM。

文章信息：

Clarifying the atomic origin of electron killers in β-Ga₂O₃ from the first-principles study of electron capture rates

Zhaojun Suo, Linwang Wang, Shushen Li, Junwei Luo

J. Semicond. 2022, 43(11): 112801  doi: 10.1088/1674-4926/43/11/112801

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