博文
半导体学报2023年第1期——中文导读
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综述
1 基于界面设计的新型二维异质结发光材料
二维半导体材料中显著的激子效应、多样化的激子种类和高度可调的辐射性质使二维材料在光学和光电子学方面表现出诸多新颖的特异性质。以平面结构的二维材料为基本单元，这些原子层“砖块”可通过范德瓦尔斯组装进行集成。通过对二维异质结界面状态进行合理设计，人们可实现激子种类以及光发射性质的可控调制，由此衍生出许多新颖的发光特性，极大地拓展了低维发光材料研究与设计的版图。当前，二维异质结材料已经成为研究激子物理和设计、集成新概念发光器件的重要平台。
近日，南京大学徐伟高教授课题组和美国杜兰大学陆欣助理教授等综述了基于界面设计来实现新型二维异质结发光的研究进展。该论文首先概述了界面设计中常采用的三种基本策略，即改变单层组分、调整层间间隙和控制扭转角度。然后，作者详细介绍了这些策略实现的一系列新型的激子行为与光发射特性。具体地，通过界面设计调控界面能量转移和界面电荷转移过程，人们分别实现了层内激子荧光增强与动态关联双色荧光发射。利用双层同质结和Ⅱ型异质结中电子与空穴在空间上分离的特征，相邻层中存在的长寿命层间激子荧光发射现象也是本论文的重要关注点。此外，本论文还重点介绍了晶格相似单层材料堆叠形成的更大周期莫尔超晶格，以及由莫尔周期势对层内和层间激子的空间调制所形成的莫尔激子。周期性排布的莫尔激子的荧光发射具有窄线宽和量子发射特性，对量子多体模拟和量子信息处理至关重要，在可集成单光子源阵列研究方面具有重要应用前景。
文章信息：
Interface engineering in two-dimensional heterostructures towards novel emitters
Hua Li, Jinyang Ling, Jiamin Lin, Xin Lu, Weigao Xu
J. Semicond. 2023, 44(1): 011001 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011001
2 扭角二维铁电的研究进展
自二维（2D）材料的研究开始以来，已经预测或实验证实了一些2D铁电材料，但作为必要的功能材料，2D铁电材料对未来电子器件的发展具有重要的意义。最近在2D铁电材料方面的突破令人印象深刻，随着对2D vdW材料研究的不断深入，异质结构的制备成为可能，人们开始意识到，减小材料尺寸并不是改变材料性能的唯一途径，扭角的2D层状材料也是可能的。扭角是一种新的自由度，它通过旋转交替的单分子层形成角度来得到独特的性质。当两层非极性材料以一定的角度堆叠时，新的合成铁电材料就可能会出现。目前，扭角2D铁电材料的物理和结构性质引起了广泛的兴趣和讨论，不过扭角2D铁电材料的研究还处于开始阶段。
近日，电子科技大学彭波教授课题组综述了扭角2D铁电体的最新研究进展，包括贝纳尔堆积的双层石墨烯/氮化硼（Bernal-stacked bilayer graphene/BN）、双层氮化硼（bilayer BN）和过渡金属二卤化物（TMDs）。最后，对扭角二维铁电材料的发展进行了展望，扭角2D铁电材料独特的物理特性为高性能、低功耗、高集成度的新一代电子器件，例如具有高开关比和低漏电流的非易失性存储器、新型铁电场效应晶体管（Fe-FET）以及能用于神经网络计算的存算一体器件，带来了潜力。
图1. (a) AB堆积和BA堆积BN的晶体结构示意图。(b) 扭角双层BN的PFM相位图和幅值图。(c) 器件的石墨烯电阻Rxx分别作为顶栅和底栅的函数（插图：双栅P-BBN器件结构）。(d) 扭角双层BN中的铁电切换。(e) 极化和石墨烯电阻Rxx分别与温度的关系。(f) 铁电场效应晶体管的室温工作特性。
图2. (a) H堆积和R堆积（MX和XM）TMDs的晶体结构示意图。(b) MoSe2的PFM相位图和幅值图。(c) MoSe2的横向PFM测量示意图。(d) TMDs器件的石墨烯电阻Rxx分别作为顶栅和底栅的函数（插图：双栅R堆叠TMDs器件结构）。(e) 小角度扭角双层WSe2 d1器件中的铁电切换。 (f) WSe2 d1和d2器件的极化转换原理图和石墨烯电阻Rxx的温度关系图。
文章信息：
The twisted two-dimensional ferroelectrics
Xinhao Zhang, Bo Peng
J. Semicond. 2023, 44(1): 011002 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011002
3 二维过渡金属硫属化合物莫尔超晶格的制备与平带物理研究进展
当两种堆叠的二维材料存在扭转角或晶格常数差异时，就会形成莫尔（Moiré）超晶格，从而显著影响材料中的电子行为。在过去的四年多时间里，二维材料莫尔超晶格研究领域取得了许多重要突破，多种奇异量子现象相继被发现，如莫特绝缘态、非常规超导和量子反常霍尔效应等现象。该领域已经成为凝聚态物理、材料科学和前沿信息科学领域的重要研究方向，为量子物性研究和先进电子器件的设计与应用带来了新契机。
近日，北京理工大学前沿交叉学院黄元教授、集成电路与电子学院王业亮教授与中国科学院物理研究所凝聚态物理国家实验室的许杨特聘研究员合作撰写综述文章，对过渡金属硫属化合物（TMDs）的莫尔超晶格研究进行了系统介绍，总结了TMDs的制备技术和转角TMDs体系中的平带物理相关物性的研究进展。相比于更早受到研究关注的魔角石墨烯体系，转角TMDs体系有诸多的优势和特色。例如，与平带相关的现象可以在更大的扭转角范围内出现，具有的光学带隙可以为利用许多成熟的光学方法表征测量带来便利（荧光光谱、反射和超快光谱等）。本文首先回顾了二维材料解理技术以及转角制备技术的新进展，包括金膜、银膜辅助的解理技术和特殊二维材料（悬空结构、转角异质结）的制备技术等。作者随后简要介绍了TMDs异质结中光激发莫尔激子的相关研究成果，并用通俗化的语言解释了该转角体系中平带的形成机制及其在具有可调掺杂、简并度和关联强弱的Hubbard模型量子模拟中的应用潜力。作者重点介绍了近些年来在转角TMDs体系里先后发现的分数填充的关联绝缘态、在中等关联强度时的奇异量子输运行为及量子反常霍尔效应等。最后，文章讨论了TMDs莫尔超晶格研究领域面临的挑战和未来的发展方向。
本综述文章系统总结了TMDs材料的解理及转角异质结制备技术，并对莫尔超晶格体系中与平带相关的新奇物理特性进行了详细介绍，为开展TMDs及更多二维材料体系中的莫尔超晶格研究提供了重要指导。
该文章以题为“Recent progress on fabrication and flat-band physics in 2D transition metal dichalcogenides moiré superlattices”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Recent progress on fabrication and flat-band physics in 2D transition metal dichalcogenides moiré superlattices
Xinyu Huang, Xu Han, Yunyun Dai, Xiaolong Xu, Jiahao Yan, Mengting Huang, Pengfei Ding, Decheng Zhang, Hui Chen, Vijay Laxmi, Xu Wu, Liwei Liu, Yeliang Wang, Yang Xu, Yuan Huang
J. Semicond. 2023, 44(1): 011901 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011901
4 莫尔超晶格中的声子物理
当两种二维材料以不同的旋转角度或晶格参数堆叠在一起时，会形成比原始周期单元更大的新的周期单元，称之为莫尔（Moiré）超晶格。莫尔超晶格引入了新的周期势场，会对电子能带结构产生重要的影响，并衍生出一系列新奇的物理现象，例如转角双层石墨烯（tBLG）在特殊的“魔角”下会表现出超导的性质。除了会改变电子能带结构，莫尔超晶格也对晶格振动性质产生重要的影响。一方面，由于晶体学超晶格的布里渊区折叠效应，会使得原来处于布里渊区边界的声子模式折叠到布里渊区中心；另一方面，莫尔超晶格会产生与之对应的新的“莫尔声子”，例如人们利用拉曼光谱在转角双层MoS2（tBLM）中观察到了与莫尔超晶格相关的莫尔声子模式。此外，电-声子耦合在莫尔超晶格中也会表现出一些有趣的性质。
近日，中国科学院半导体研究所张俊课题组撰写了莫尔超晶格中声子物理的综述文章。该综述首先介绍了有效连续模型计算莫尔声子色散的方法；随后以tBLG和tBLM为例讨论了莫尔声子的拉曼光谱；接着概括了莫尔超晶格中电-声子相互作用的基本理论和电-声子耦合的增强效应，以及莫尔超晶格中的热电性质；而后介绍了莫尔超晶格中声子介导的超导机制；最后对莫尔超晶格中的声子物理进行了总结和展望。
图2. 莫尔超晶格中电-声子相互作用示意图。
文章信息：
Review of phonons in moiré superlattices
Zhenyao Li, Jia-Min Lai, Jun Zhang
J. Semicond. 2023, 44(1): 011902 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011902
5 二维半导体双层异质结中莫尔激子与腔光子的相互作用
由两个经过小角度转角或由较小晶格常数差的单层二维材料堆叠而成的莫尔材料，是研究强关联物理的重要平台。这其中，基于过渡金属硫族化合物（TMDs）的莫尔材料已经被广泛地研究过，但是其承载的莫尔激子与光学腔模之间的耦合尚未被充分研究。
近日，北京大学叶堉研究员课题组撰写了一篇关于二维半导体双层异质结中莫尔激子与腔光子的相互作用的综述。他们在该综述中总结了近年来研究TMDs双层异质结与光学腔（法布里-珀罗腔或平面光子晶体腔）组合结构的工作。其中绝大部分工作仅观察到了莫尔激子与光学腔之间的弱耦合现象而未能实现二者间的强耦合，说明此领域尚未被充分研究。文中还评述了在莫尔激子与光学腔耦合研究中遇到的困难以及可能的解决手段与发展方向。
该综述总结了近年来关于二维半导体双层异质结中莫尔激子与腔光子的相互作用的工作，对促进其物性研究与可能的应用有积极的推动作用。
文章信息：
Interaction of moiré excitons with cavity photons in two-dimensional semiconductor hetero-bilayers
Yuchen Gao, Yu Ye
J. Semicond. 2023, 44(1): 011903 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/011903
研究论文
6 CVD生长的40度转角双层WS2中栅压可调的谷-自旋空间积累
人们在一些反演对称破缺的晶体（例如过渡金属硫属化合物，transition metal dichalcogenide，TMD）中，发现电子除了电荷还具有谷自由度。谷即晶体能带结构中带边的极值点（导带底或价带顶）。由于单层TMD（MoS2、WSe2等）在晶体结构上存在空间反演对称性破缺，所以在第一布里渊区中存在能量简并但不同的K+和K-谷，两者具有相反的贝里曲率（Berry Curvature）。一些TMD中的自旋轨道耦合作用较强，可导致能谷与自旋锁定在一起。贝里曲率可视为一种赝磁场，在二维TMD的平面内施加电场，不同的谷-自旋（K+和K-）就会空间分离，在器件的边界处分别积累，进而导致谷霍尔效应（valley Hall effect）。
有研究表明，尽管单层TMD中的谷霍尔信号很弱，但在重掺杂的单层WSe2或者应变的单层MoS2中，可以采用克尔旋转显微术探测他们的谷信号。然而，对于转角双层TMD这一新的强关联体系，有诸如平带、电子-电子相互作用等新的物理现象。而且由于转角对体系对称性的破坏，在转角双层TMD的莫尔超晶格中探测谷自由度成为值得探索的科学问题。
近日，中国科学院金属研究所赵斯文助理研究员、山西大学张桐耀讲师、湖南大学刘松教授等人成功采用CVD生长制备了40度转角双层WS2晶体管器件。他们首次在该莫尔超晶格体系中观测到了谷霍尔效应导致的K+和K-的谷-自旋信号在空间上的积累，并且该效应可以通过栅压进一步调控。该项研究为未来TMD莫尔超晶格体系的能谷极化和调控研究奠定了基础。
图1. (a) 转角双层WS2的晶体结构和单层WS2能带结构示意图。(b) 转角双层WS2/h-BN异质结器件示意图。(c) 在SiO2/Si衬底上CVD生长的40度转角双层WS2晶体管光学显微镜照片。(d) 转角双层WS2/h-BN晶体管光学显微镜照片。(e) 最终图形化后的器件光学显微镜照片。
文章信息：
Gate tunable spatial accumulation of valley-spin in chemical vapor deposition grown 40°-twisted bilayer WS2
Siwen Zhao, Gonglei Shao, Zheng Vitto Han, Song Liu, Tongyao Zhang
J. Semicond. 2023, 44(1): 012001 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/012001
7 利用电感增益峰值技术实现的75 GHz波导耦合型Ge探测器
光电探测器的带宽主要由光生载流子渡越时间和探测器的RC常数共同决定。渡越时间通常由探测器的有源区宽度相关，而RC常数则与探测器的结电容、串联电阻以及寄生电容等因素有关。传统的具有垂直PIN结的波导耦合型Ge探测器制备工艺相对简单，综合性能较好，应用广泛。然而其器件尺寸相对较大，结电容以及寄生参数较高，带宽因此受限。
中国科学院半导体研究所成步文课题组将螺旋电感集成到光电探测器中，利用电感增益峰值技术补偿垂直PIN结Ge探测器在高频下工作时的部分电容效应，使得频率响应曲线的RF功率在高频处增加，进而有效提高了探测器的-3 dB带宽。该课题组通过光波分析仪和光外差拍频系统，测试了集成了不同电感值螺旋电感的垂直PIN结Ge探测器的频率响应曲线，测试结果如图1所示。测试结果表明集成了适当感值螺旋电感的探测器具有>75 GHz的-3 dB带宽。该工作最后还通过眼图测试研究和验证了集成螺旋电感的探测器在大信号传输下的数据处理能力。
探测器集成片上电感，可以在不增加工艺复杂度，不改变Ge光电探测器直流特性（暗电流和光响应）的前提下，补偿光电探测器的部分电容效应，有效提升探测器的带宽和数据处理能力，对于实际应用和进一步提高光电探测器的带宽具有重要意义。
文章信息：
75 GHz germanium waveguide photodetector with 64 Gbps data rates utilizing an inductive-gain-peaking technique
Xiuli Li, Yupeng Zhu, Zhi Liu, Linzhi Peng, Xiangquan Liu, Chaoqun Niu, Jun Zheng, Yuhua Zuo, Buwen Cheng
J. Semicond. 2023, 44(1): 012301 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/012301
8 一种新型“双面神”InGaSSe单层半导体的力电性能和光电特性
随着能源需求的日益增长和环境污染的日趋严重，可再生能源或清洁能源的开发受到了研究者的广泛关注，利用取之不竭的太阳能进行光催化分解水从而获得氢能成为解决这些全球能源问题方案之一。研究发现，光催化剂的性能是光催化反应过程的关键评价指标。一般来说，理想的光催化剂材料应具有合适的带隙（例如~2 eV）、合适的带边位置、较高的载流子迁移率。在过去的数年里，许多光催化剂被研究开发，如化学式为ABX3（A = 有机阳离子，B = 金属阳离子和X = 卤族阴离子）的钙钛矿、金属氧化物、金属硫化物等。尽管目前在探寻新型光催化剂材料方面取得了重大进展，但现有的光催化材料或多或少存在一定的缺陷，限制了其广泛应用。在很多情况下，光催化效率不理想是由于太阳光的低利用率和光激发载流子的高重组率。此外，一些金属氧化物半导体由于其固有的电子能带结构，只能在很小的太阳光谱范围内工作。因此，提高光催化剂的性能仍存在亟待解决的技术难题。“双面神”压电半导体单分子层由于其基本的压电和半导体双重特性，在这一研究领域提供了更多的机会。近年来，Janus MM’XY（M/M’ = Ga, In和X/Y = S, Se, Te）单分子膜因其优异的光催化和压电性能被报道，它们的性能被发现甚至比早先开发的Janus TMD单层更好。
近日，合肥工业大学李孝宝研究员课题组探索了Janus InGaSSe二维结构的力电性能和光电特性，通过详细的第一性原理计算分析发现，Janus InGaSSe二维结构由于其非凡的力电性能和光电特性，成为光催化水分解的优良候选材料之一。研究发现，其层内静电势差随所施加的应变增加而减小。更有趣的是，单轴压缩可以显著提高空穴载流子的迁移率，而双轴应变对空穴载流子的迁移率影响不大。另一方面，当单轴或双轴压缩大于4%时，电子载流子的迁移率降低，而拉伸应变对电子载流子迁移率几乎没有影响。该研究结果为提升“双面神”二维材料的电子和光电子特性调控提供了有价值的理论指导。
图1. Janus InGaSSe二维结构氢吸附的吉布斯自由能（∆GH）随不同吸附位点的变化（左图）；S面和Se面可能的氢吸附位点（右图）。
文章信息：
Electromechanical and photoelectric properties of a novel semiconducting Janus InGaSSe monolayer
Li Zhong, Xiaobao Li, Wei Wang, Xinle Xiao
J. Semicond. 2023, 44(1): 012701 doi: 10.1088/1674-4926/44/1/012701
https://blog.sciencenet.cn/blog-3406013-1374506.html
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