博文
半导体学报2022年第12期——中文导读
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综述
1 一维纳米结构光谱和载流子动力学
一维纳米结构可以限制电子、光子、激子等粒子或准粒子的传播方向，为基础物理研究和技术应用提供了良好的平台，如一维纳米结构中光-物质相互作用的物理过程、光发射的物理机制以及集成光电子器件等。因此，讨论和总结一维纳米结构光谱学和载流子动力学的最新进展对该领域未来的研究具有重要意义。
近日，国家纳米科学中心刘新风研究员课题组发表综述性文章“Spectroscopy and Carrier Dynamics of One-Dimensional Nanostructures”。该综述首先总结了一维纳米结构的基本概念、主要特点和相关应用；接着介绍了纳米线中激子极化激元的凝聚和传播、一维光子晶体的基本特性及其在光子-等离子体结构中的应用以及一维拓扑结构边缘态的观测和具有鲁棒性的单模激光器。本综述对研究纳米线、光子晶体、拓扑结构和其他一维纳米结构相关系统的光谱学和载流子动力学的研究人员具有较高的参考价值。
最后，对一维纳米结构光谱和载流子动力学的未来发展和方向提出了一些见解：（1）如何控制生长高质量、高稳定性的纳米线以及提高微腔的质量，以获得更窄的线宽和更长的激子极化激元寿命；（2）一维光子晶体作为传感器或光开关，其进一步发展需要更大的可调谐光谱范围、更快速的响应时间以及更实用的光子晶体工艺制造方法；（3）使用电、光或其他手段来调控拓扑绝缘体将是未来研究的重要方向，实现具有更好传输效果和调节方式多样化的光学器件。
文章信息：
Spectroscopy and carrier dynamics of one-dimensional nanostructures
Yutong Zhang, Zhuoya Zhu, Shuai Zhang, Xianxin Wu, Wenna Du, Xinfeng Liu
J. Semicond. 2022, 43(12): 121201 doi: 10.1088/1674-4926/43/12/121201
研究论文
2 用于刚果红增强光催化降解的锡掺杂α-Fe2O3纳米颗粒的一步水热法合成
本文报道了通过水热法合成锡掺杂的赤铁矿纳米颗粒 (Sn-α-Fe2O3 NPs) 的研究结果。所制备的Sn-α-Fe2O3 NPs具有纯度高且结晶良好的斜方体相，平均粒径为41.4 nm。合成的α-Fe2O3 NPs的光学性质显示，其带隙能量 (2.40-2.57 eV) 高于纯净体相α-Fe2O3 (2.1 eV)。通过向α-Fe2O3 NPs中掺入锡，随着锡的掺杂浓度从0%升高到4.0%，锡掺杂的赤铁矿光谱出现了向长波方向的红移。研究中通过降解刚果红 (CR) 染料来评估锡掺杂的α-Fe2O3 NPs的光催化活性。结果表明，使用Sn-α-Fe2O3 NPs催化剂降解刚果红染料的效率高于使用纯α-Fe2O3 NPs的降解效率。在可见光照射下，掺杂浓度为2.5%的锡掺杂α-Fe2O3 NPs催化剂对刚果红染料的降解效率最高，达到97.8%。以上研究结果表明，合成的锡掺杂α-Fe2O3纳米颗粒可能适用于发展光催化法降解废水中有毒无机染料。
文章信息：
One-step hydrothermal synthesis of Sn-doped α-Fe2O3 nanoparticles for enhanced photocatalytic degradation of Congo red
Van Nang Lam, Thi Bich Vu, Quang Dat Do, Thi Thanh Xuan Le, Tien Dai Nguyen, T.-Thanh-Bao Nguyen, Hoang Tung Do, Thi Tu Oanh Nguyen
J. Semicond. 2022, 43(12): 122001 doi:10.1088/1674-4926/43/12/122001
3 通过分子束外延生长GaP/Si(100)异质结构的界面动力学研究
在Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体中GaP与Si晶格参数最为接近，GaP与Si的晶格失配度为0.37%，所以在Si衬底上直接生长Ⅲ-Ⅴ族光电器件，GaP是最为适合的缓冲结构。在非平衡条件下的GaP化合物成核过程中，Si衬底的表面化学性质将决定整个界面的电子结构，并且对后续外延层的缺陷诱导非常重要。在Si(100)衬底异质外延GaP，GaP/Si(100)界面是非常重要的，为了降低反相畴等缺陷的密度，有必要更好地理解生长起始过程中GaP/Si(100)异质界面的基本物理和化学过程。目前已经有文献报道，在Si(100)衬底预铺一层Ga原子，理论计算表明Ga原子作为Si(100)衬底的Prelayer层时，其界面相对形成能较低，有利于Si-Ga成键。当Si(100)表面铺一层Ga原子时，Si(100)与Ga原子形成的Si-Ga键相对形成能要比Si与P原子形成的Si-P键要小，界面更加稳定，更有利于Si(100)基GaP的外延生长。
图2. 衬底Si预铺不同原子外延GaP样品的高分辨TEM图像。（a-b）衬底Si富P；（c-d）衬底Si富Ga。
文章信息：
Interfacial dynamics of GaP/Si(100) heterostructure grown by molecular beam epitaxy
Tieshi Wei, Xuefei Li, Zhiyun Li, Wenxian Yang, Yuanyuan Wu, Zhiwei Xing, Shulong Lu
J. Semicond. 2022, 43(12): 122101 doi:10.1088/1674-4926/43/12/122101
4 翘曲度对双层锗烯电子结构和光学性质的影响
石墨烯所表现出的奇异性质一直是二维材料领域的重点关注对象，石墨烯是由碳原子组成的平面结构原子层，呈六边形蜂窝结构，具有零带隙的电子结构，高载流子迁移率和量子自旋霍尔效应，因此一直受到科研人员的关注。由于石墨烯零带隙的半金属结构特性，使其在电子器件中的应用受到了一定限制，所以科研人员关注到了与石墨烯同家族的硅烯和锗烯，锗烯的发现为科研人员在二维材料领域打开了一个新的世界。锗烯与石墨烯不同，锗烯是一种呈褶皱状的单原子晶体，平面的石墨烯是稳定的，而平面的锗烯不稳定。因为锗烯存在sp2和sp3的杂化轨道，所以锗烯易形成皱褶结构。
近日，贵州民族大学岑伟富博士课题组用密度泛函第一性原理方法研究了双层锗烯在不同翘曲度下的电子结构和光学性质。分析了翘曲度对双层锗烯电子结构和光学性质的影响。研究结果表明，双层锗烯导带底部随着K点翘曲的增加向低能量方向移动，价带顶部在K点保持不变，因此带隙随着K点翘曲的增加而减小。当翘曲为0.075 nm时，双层锗烯的价带顶部由K点变为G点，成为间接带隙半导体。通过翘曲度有效调节双层锗烯的能带结构，翘曲度是调节直接带隙半导体和间接带隙半导体之间转换的有效手段。光学性质的研究表明，翘曲度对双层锗烯光学性质的影响主要分布在紫外和可见光区域，翘曲度可以有效地调节双层锗烯的电子结构和光学性质。通过翘曲度的调节，揭示了它们在光电子工业中的潜在应用，如光电探测器、传感器、低功率激光器等。
图1. 能带结构。(a) ∆1 = 0.066 nm，(b) ∆2 = 0.069 nm，(c) ∆3 = 0.071 nm，(d) ∆4 = 0.073 nm，(e) ∆5 = 0.075 nm，(f) ∆6 = 0.079 nm。
文章信息：
Effect of warpage on the electronic structure and optical properties of bilayer germanene
Qihang Xiong, Weifu Cen, Xingtong Wu, Cong Chen
J. Semicond. 2022, 43(12): 122102 doi: 10.1088/1674-4926/43/12/122102
5 具有窄带隙青色发光的高稳定性镓掺杂氧化锌/聚苯乙烯纳米复合薄膜 本文提出了一种制备镓掺杂氧化锌（GZO）/聚苯乙烯柔性纳米复合发光薄膜的简便方法。通过不同的光学和结构表征技术对所制备的GZO粉末进行了表征。XRD研究表明材料中存在纤锌矿结构，且没有额外的氧化物峰。此外，通过元素图谱、EDX、FTIR和XPS分析证实了薄膜材料的构成元素和其中存在的几种基团。在紫外光的激发下，制备的复合纳米材料显示出很强的青色发光，其半高宽（FWHM）很窄（20 nm），该结果由本文首次报道。复合薄膜的X射线和激光的光致发光结果在室温下显示出新的蓝绿发光特性，对电离辐射也显示出很强的闪烁响应。该复合材料具有发光强、深能级发光极弱以及FWHM窄的特点，表明GZO复合结构缺陷密度低，具有理想的光学性质，因此有望成为适合制造光电器件的备选材料。 该文章以题为“Highly stable Ga-doped ZnO/polystyrene nanocomposite film with narrow-band cyan emission”发表在Journal of Semiconductors上。 图1. 实验过程。 Highly stable Ga-doped ZnO/polystyrene nanocomposite film with narrow-band cyan emission Sanaz Alamdari, Majid Jafar Tafreshi, Morteza Sasani Ghamsari J. Semicond. 2022, 43(12): 122301 doi: 10.1088/1674-4926/43/12/122301 6 Flash型FPGA的本征态电流控制技术研究 Flash型FPGA基于Sense-Switch结构的flash开关单元组成的可编程布线开关矩阵，通过选择不同的信号通路来实现用户的逻辑功能。由于flash属于非易失性存储，电路掉电后信息不丢失，因此flash型FPGA启动速度快，上电后电路能够快速的进入工作状态。从实现flash开关单元的器件类型来说，根据不同的flash型FPGA应用背景，有N沟道flash和P沟道flash可选。N沟道flash具有驱动能力大的优点，而P沟道flash在抗辐射性能上要优于N沟道，特别是在抗总剂量性能上表现优越。所以基于P沟道技术的flash型FPGA更适合应用于航天航空的信号处理和信号控制领域。然而，flash型FPGA芯片在制造过程中工艺会将少量电子带入到flash的浮栅中，内部残留的负电荷会使P沟道的flash处于本征弱导通状态，每个flash的源漏之间存在μA级的导通电流。在布线开关矩阵中，极性相反的两个信号作为信号选择器MUX的输入，所以会在两个flash开关单元之间形成导通电流。而flash型FPGA有几兆甚至数十兆数量的flash开关单元，如此大量flash开关单元之间导通电流的叠加，导致flash型FPGA芯片从晶圆厂返回后的第一次上电存在非常大的电流。以系统等效门数为350万门flash型FPGA计算，共含有2912(BL)*7844(WL) 位的flash开关单元，芯片第一次上电的电流将达到10 A以上。 近日，中国电科58所及其子公司中微亿芯单悦尔研究员课题组对flash型FPGA中本征态电流产生的原因和机理进行了分析，对其控制方法进行了深入的理论研究。利用光电效应和康普顿效应进行紫外光照射、X光照射试验；基于Arrhenius指数加速模型进行高温烘焙试验；从电路上设计控制内核地GND通路的逻辑进行试验。试验数据表明在电路设计上通过逻辑控制内核地GND的通路是最合适、最可靠地解决flash型FPGA本征态电流问题的方法。具体方案是通过在flash型FPGA的芯片上增加对内核地GND的控制逻辑，断开芯片第一次上电过程中从内核电源VDD到地GND的电流通路。并且该控制逻辑具有记忆功能（利用多个处于本征态弱导通的flash并联实现），在完成对flash擦除后的再次上电，内核电源VDD到地GND能够形成正常通路，因此不会影响芯片的正常工作。具体操作是芯片顺利上电后，首先执行擦除操作，先将flash型FPGA中作为信号开关的flash擦除，清除其浮栅中的电子，使所有的flash开关处于关闭状态。再执行专项擦除指令对内核地GND通路控制逻辑中的flash进行擦除，关闭其对内核地GND通路的继续控制。 Flash型FPGA本征态电流控制技术，是研制flash型FPGA芯片的关键核心技术之一，是flash型FPGA芯片制造回来后能否进行功能和性能测试评价的前提。该研究对促进国内flash型FPGA的发展起积极而重要的借鉴作用。 图1.（a）Sense-Switch结构的flash开关单元。（b）开关矩阵中的本征态导通电流通路。 图2. （a）设计的内核地GND的通路。（b）内核地GND通路的控制逻辑。 7 异质结双面硅太阳能电池的发射层优化 得益于丰富的硅资源及可接受的效率，硅太阳能电池持续在市场上占据主导地位。本征薄层异质结（HIT）结构是目前制备硅太阳能电池的主导技术。提高这类电池的效率可以拓宽HIT太阳能电池开发的选择范围。本文对p型双面HIT太阳能电池的发射极a-Si:H(n)层的特征参数进行了详细研究，包括薄层的掺杂浓度、厚度、带隙宽度、电子亲和性、空穴迁移率等。太阳能电池的构成如下：(ZnO/nc-Si:H(n)/a-Si:H(i)/c-Si(p)/a-Si:H(i)/nc-Si:H(p)/ZnO)。研究结果揭示了特征参数的最佳值，并通过计算得到仅从顶部辐照时的最高效率为26.45%，而仅从背面辐照时的最高效率为21.21%。 图1. 蚀刻4H-SiC样品的代表性OM图像。在蚀刻图中标注了掺杂剖面和蚀刻时间。 Adnan Shariah, Feda Mahasneh J. Semicond. 2022, 43(12): 122701 doi: 10.1088/1674-4926/43/12/122701 8 通过腐蚀坑倾角辨别半导体碳化硅中的位错类型 该文章作为封面文章，以题为“Discrimination of dislocations in 4H-SiC by inclination angles of molten-alkali etched pits”发表在Journal of Semiconductors上。 图1. 计算得到的TiGa、FeGa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： Discrimination of dislocations in 4H-SiC by inclination angles of molten-alkali etched pits Guang Yang, Hao Luo, Jiajun Li, Qinqin Shao, Yazhe Wang, Ruzhong Zhu, Xi Zhang, Lihui Song, Yiqiang Zhang, Lingbo Xu, Can Cui, Xiaodong Pi, Deren Yang, Rong Wang J. Semicond. 2022, 43(12): 122801 doi: 10.1088/1674-4926/43/12/122801 9 一种4H-SiC半超结屏蔽沟槽栅MOSFET：p柱接地优化电场特性 电力传输和变换已然在人们生活中发挥着举足轻重的作用，功率半导体器件作为装置的核心器件，广泛应用于电力传输、交通、照明、工业、航空航天等各个电力电子领域。尤其是在过去二十年，以第三代半导体碳化硅（SiC）为代表的技术革新与进步，创造了传统硅（Si）器件所无法逾越的理论极限，促成了新能源汽车、智能电网等产业的跨越式发展。 为了获得更好的器件性能和更高的功率密度，采用SiC沟槽栅金属氧化物半导体场效应晶体管（SiC UMOSFET）成为碳化硅行业进步的重要技术路线之一。在超过1000 V耐压应用领域，这项新技术正逐渐成为硅基绝缘栅双极晶体管（IGBT）可行替代品。然而，在芯片设计上继续深挖SiC UMOSFET的技术潜力，亟需克服沟槽栅极氧化物电场集中及栅漏电容高等技术瓶颈。近几年，SiC超结MOSFET引起产业和学术界的广泛关注，该结构兼有反向阻断特性好，正向导通效果优的特点，因此将UMOSFET与超结MOSFET结合在一起，可以充分展示SiC MOSFET器件的优点。 近日，厦门大学物理科学与技术学院张峰教授课题组在传统SiC UMOSFET引入局部超结屏蔽结构，充分发挥了SiC UMOSFET和2D电荷耦合结构的优势。他们在该工作中系统研究了处于不同偏置条件下的超结结构对器件电学特性产生的影响。计算结果表明，与传统SiC UMOSFET相比，接地型P柱超结结构能显著缓解沟槽电场聚集效应，器件阻断电压提升41%，同等面积下的导通电阻下降了52%。此外，基于模拟计算和器件特性动态转化物理机制，揭示了超结结构处于接地条件下能最大程度发挥2D电荷耦合的强屏蔽效应，开关损耗比传统器件降低18%，充分发挥了SiC UMOSFET的高频应用优势。 据报道，全球因功率半导体的应用使电力消耗减少数万亿瓦时，社会生产力、生活质量和安全性得以大幅提升。本文提出沟槽栅和局部超结融合的SiC UMOSFET器件新结构，有望打破传统功率器件性能极限，进一步降低电力消耗，为电力电子领域技术创新和减少全球二氧化碳排放发挥重要作用。 该文章以题为“A 4H-SiC Semi-super-junction Shielded Trench MOSFET：p-pillar is grounded to optimize the electric field characteristics”发表在Journal of Semiconductors上。 图1. 器件（a）转移特性和（b）输出特性对比，以及（c）击穿电压，（d）传统器件 (CT-UMOS)、（e）接地型新结构 (GSS-UMOS) 和（f）浮空型新结构(NGSS-UMOS) 在1200 V阻断电压下电场分布图。 图2. (a)-(c) 开关频率分别为33 kHz、50 kHz和75 kHz下的器件开关特性曲线对比，以及 (d) 对应的开关损耗。 Xiaojie Wang, Zhanwei Shen, Guoliang Zhang, Yuyang Miao, Tiange Li, Xiaogang Zhu, Jiafa Cai, Rongdun Hong, Xiaping Chen, Dingqu Lin, Shaoxiong Wu, Yuning Zhang, Deyi Fu, Zhengyun Wu, Feng Zhang J. Semicond. 2022, 43(12): 122802 doi: 10.1088/1674-4926/43/12/122802 10 碱金属原子气室结构和温度对吸收光谱的影响 碱金属原子气室是芯片级原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪等量子传感仪器的核心器件，研究高性能碱金属原子气室与光的作用过程，是量子传感仪器高精度测量的需求，是实现芯片化计量测试传感的基础。国内外许多机构均开展了原子气室的研究。Hasegawa等人采用两步阳极键合技术制备了填充有Ar或者Ne缓冲气体的Cs原子气室，利用光谱学研究了可以满足原子钟工作需要的充有缓冲气体的原子气室的合适压力。中国计量院报道了用于芯片级原子钟的高气密性微型碱金属气室。通过蚀刻工艺和玻璃-硅-玻璃阳极键合来制备两个密封腔，通过激光微加工形成中间通道，封装后泄露率为5×10-8 mbar·L/s，并且通过优化缓冲气体压力来减小吸收光谱和相干布居囚禁（CPT）共振光谱线宽。研究人员通过碱金属原子气室的光谱学研究，不断探索改进气室稳定性、增加气室内原子寿命等的方法，但是对芯片级原子气室的气室腔尺寸、碱金属填充量对气室光谱的影响以及气室内碱金属蒸汽密度随温度的变化等问题很少有报道，这对芯片级原子气室的设计及制备意义重大。 航空工业北京长城计量测试技术研究所李维老师课题组采用MEMS工艺成功制备出高气密性的碱金属原子气室，泄漏率可以达到1×10-9 Pa·m3·s-1。他们研究了不同气室腔尺寸、不同Rb碱金属填充量、不同温度的原子气室内Rb蒸汽吸收光谱，发现原子气室内Rb蒸汽的吸收峰强度随着温度的升高而增强，这与气室腔内Rb原子蒸汽密度随温度升高而增大有关。原子气室在相同加热温度下，气室内Rb原子蒸汽的吸收峰强度与气室腔大小、RbN3填充量关系不大。经过理论计算140 ℃时Rb蒸汽达到饱和蒸汽状态需要填充RbN3的最小质量，分析气室内Rb原子是足量的，在每一个温度都可以达到饱和蒸汽状态，因此蒸汽原子密度相同，吸收峰强度也相同。 研究不同结构和温度的碱金属原子气室吸收光谱，为高质量芯片级原子气室的设计及制备提供指导和借鉴，为高精度芯片级原子钟、原子磁力仪、原子陀螺仪等量子传感仪器的研制提供技术基础。 该文章以题为“Influences of Architecture and Temperature of Alkali Atom Vapor Cells on Absorption Spectra”发表在Journal of Semiconductors上。 图1. 碱金属原子气室实物图。 图2. 原子气室两个吸收峰峰值强度与气室腔直径的关系，原子气室加热温度130 ℃。 11 基于BiOBr纳米片的湿度传感器 呼吸是人体的一种有节奏的活动，其频率和强度取决于人体活动的水平。呼吸的主要目的是为身体提供氧气，排出二氧化碳。湿度、浓度、流速、呼吸压力是疾病诊断、治疗和预后评估的重要指标，也是医学等领域肺功能项目的重要指标。可穿戴湿度传感器，可以很容易地集成到电子皮肤、口罩等，在医学方面可实现快速、连续和无创伤的呼吸状态捕获。然而，此类湿度传感器的材料制备和器件设计是实现以上功能的关键步骤。 近日，沈阳医学院第二附属医院主治医师曹超凡联合清华大学助理研究员路瑶，在常温环境下快速合成BiOBr纳米片湿度传感材料，随后通过紫外光刻等技术在柔性PET基底上设计并制作了金属微电极，并将传感材料搭载在该柔性电极上完成湿度传感器的装备，如下图1所示。 由BiOBr纳米片组装的湿度传感器具有较高的灵敏度（Ig/I0=550%），相对湿度从40%到100%，以及较高的响应速度，检测响应/恢复时间分别为11和6 s。考虑到湿度传感器优异的湿度性能和快速的响应时间，我们将该传感器集成到实时检测人类呼吸的智能口罩中。如图2a-b所示，我们的智能口罩由安装在呼吸阀上的传感器组成。戴上口罩后，使用者的呼吸在一个相对封闭的空间中被检测到。随着每次呼吸传感器电流的增加或减少，我们可以通过监测峰值的大小和数量来监测呼吸强度和频率的变化。图2c比较了深呼吸和正常呼吸时传感器的相对电流变化。深呼吸时的强度比正常呼吸时高得多，这意味着传感器可以检测到肺活量。此外，智能口罩的电流随着呼吸方式的增加和减少同步，因此可以通过峰值的数量来监测呼吸频率的变化。如图2d-f所示，我们的智能口罩可以实时监测不同频率（慢、正常和快速）的呼吸。将来，柔性湿度传感器作为一种可穿戴式呼吸监测设备，在呼吸道疾病预防和健康监测方面具有潜在的应用价值。 该文章以题为“Humidity sensor based on BiOBr synthesized under ambient condition”发表在Journal of Semiconductors上。 图1. BiOBr纳米片合成示意图以及柔性电极制备流程图。 Chaofan Cao, Guixian Xiao, Yao Lu J. Semicond. 2022, 43(12): 124101 doi: 10.1088/1674-4926/43/12/124101
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