硅纳米材料具有优异的光电响应、高地壳元素丰度以及良好的生物相容性。二维硅（two-dimensional silicon, 2DSi）是一类独特的降维硅纳米结构，具有与传统晶体硅材料不同的理化性质，如高载流子迁移率、各向异性电子和磁响应、量子限域的光致发光和非线性的光学性能等。近年来，二维硅材料在能源、催化、光电转换等领域的基础科学和应用科学研究中表现出巨大的潜力。

近日，中山大学杨振宇教授课题组对近年来二维硅纳米材料的合成、表面化学及光电器件应用进行了系统综述。该综述首先分析了以三种不同结构的二维硅材料为基础介绍了二维硅的结构和化学性质，并讨论了相关的材料制备方法；既而概括了用于二维硅表面进行化学改性的一些常用方法和对应的材料物理性质改变；之后总结了基于二维硅材料的一些光电特性及器件应用所取得的研究进展，结合实际器件应用讨论了关于提高二维硅光电器件稳定性与性能的关键因素；最后提出了一些二维硅材料在未来光电子应用领域的发展方向。

该文章以题为“Two-Dimensional Silicon Nanomaterials for Optoelectronics”发表在Journal of Semiconductors上。

图3.（a） 用于发光二极管应用的硅纳米片的透射电子显微镜图像和相应的衍射图案。（b）不同厚度的硅纳米片的真实彩色图像以及不同生长时间硅纳米片的相应荧光光谱。（c）不同厚度的硅纳米片的光学带隙。（d）使用硅纳米片作为活性材料的发光二极管示意图和（e）对应的的电致发光光谱。（f）生长时间为5 min的硅纳米片的电致发光光谱。

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Two-dimensional silicon nanomaterials for optoelectronics

Xuebiao Deng, Huai Chen, Zhenyu Yang

J. Semicond. 2023, 44(4): 041101  doi: 10.1088/1674-4926/44/4/041101

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柔性超级电容器具有存储容量大、功率密度高、运行安全等优点，柔性碱金属离子电池具有高比能密度、高工作电压、长循环寿命等优点，已成为电化学储能领域的研究热点。上述特性对于电子器件和电动汽车的发展至关重要，然而，超级电容器能量密度低是其实用化发展的最大障碍。特别是，柔性超级电容器的频繁扭曲会导致不可逆的容量衰减。柔性储能器件有限的功率密度也阻碍了其发展和应用。两种体系的电化学性能主要取决于电极材料的化学成分和微观结构。因此，开发具有大表面积、快速反应性、高循环稳定性和高导电性的电极材料至关重要。层状双氢氧化物的制备工艺及其在催化领域的应用已有大量深入的研究成果，然而却很少有关于层状双氢氧化物在柔性储能器件中应用的综述。

近日，中国科学院半导体研究所王丽丽研究员课题组整合了近10年有关层状双氢氧化物在开发高容量的柔性超级电容器和柔性碱金属离子电池电极材料方面的研究进展。重点介绍了双组分甚至多组分构成的层状双氢氧化物如何进一步提升电极材料的循环性能和寿命，从而促进其在柔性可穿戴电子设备中的应用。阐述了包括核壳结构、片层状结构、空心多面体和碳复合材料在内的常见层状双氢氧化物合成思路，并对制备的电化学储能器件的各项性能指标进行了分析。目前获得的令人兴奋的成果将对层状双氢氧化物的后续研究和开发提供指导。该综述还对层状双氢氧化物用作储能材料时存在的不足进行了总结和展望。首先，柔性可穿戴电子器件中的层状双氢氧化物在频繁且长期的形变中难以保持电极结构的完整性。其次，层状双氢氧化物基超级电容器的能量密度有待进一步提升。此外，柔性碱金属离子电池中的层状双氢氧化物理论容量虽高，但在充放电过程中易出现结构脆化和团聚等不稳定现象，从而导致循环稳定性较低，阻碍了可逆容量的保证。因此，调整层状双氢氧化物宿主层中的金属类型和层间间距通常是克服这些挑战的“必经之路”。在这种情况下，开发前沿表征技术，深入了解层状双氢氧化物材料的微尺度活性位点特征及各组分之间的协同效应就显得尤为重要。与此同时，从环境资源的角度出发，尝试设计低成本、高质量和环保的层状双氢氧化物基材料对人类的可持续发展也有着重要意义。

该文章以题为“Layered Double Hydroxides as Electrode Materials for Flexible Energy Storage Devices”发表在Journal of Semiconductors上。

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Layered double hydroxides as electrode materials for flexible energy storage devices

Qifeng Lin, Lili Wang

J. Semicond.  2023, 44(4): 041601  doi: 10.1088/1674-4926/44/4/041601

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近年来，在电动汽车迅猛发展的带动下，全球对锂离子电池的需求持续快速增长。然而，地壳中稀有的锂矿资源在未来将无法满足高速增长的需求量。另外，锂矿资源分布不均性（~70%位于南美洲）限制了其价格和供应的稳定性。因此，研究人员不断探索新型电化学储能技术作为锂离子电池的补充品，并期望最终实现替代锂离子电池。在众多新型离子电池中，钾离子电池凭借与锂离子电池相似的电化学性质和强劲的成本竞争力而受到了广泛关注。作为一种新兴的离子电池，相关研究尚处于初级阶段，诸多问题尚待解决。其中，开发高性能电极材料是当务之急。钒氧化物由于丰富的结构类型、低成本、易于规模化生产等优点被认为是有前景的钾离子电池用电极材料之一。

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Research progress on vanadium oxides for potassium-ion batteries

Yuhan Wu, Guangbo Chen, Xiaonan Wu, Lin Li, Jinyu Yue, Yinyan Guan, Juan Hou, Fanian Shi, Jiyan Liang

J. Semicond. 2023, 44(4): 041701  doi: 10.1088/1674-4926/44/4/041701

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固体量子辐射源具有高稳定性、易操控和可扩展等优点，被应用于激光、发光二极管、传感器、量子信息处理和量子通信等领域。常见的量子辐射源主要包括稀土材料、量子点、金刚石色心和二维材料的点缺陷等。光致发光的能量通常比激发光能量低，称为Stokes位移。Anti-Stokes激发下的光致发光上转换是一种依赖于光与物质相互作用的反常现象，这一过程中发射光子的能量高于激发光的能量。与Stokes激发相比，anti-Stokes激发下的量子辐射源表现出更优异的性能，例如金刚石中硅空位色心（SiV-）的上转换荧光被证实具有激光制冷的潜力；氮空位（NV）色心的声子辅助anti-Stokes激发可以用来控制电荷态转换，是下一代量子传感的基础；六方氮化硼（h-BN）中缺陷态的anti-Stokes激发可以抑制单光子发射的光谱扩散；碳化硅（SiC）中VSi缺陷的anti-Stokes激发光探测磁共振（ODMR）的对比度和稳定性都显著提高。

近日，中国科学院半导体研究所张俊课题组撰写了量子辐射源的声子辅助荧光上转换的综述文章。该综述首先系统介绍了anti-Stokes激发量子辐射源上转换的基本原理，以及其    在宽带隙半导体和量子点激光制冷方面的研究进展。随后讨论了anti-Stokes激发在量子传感和单光子源中的应用，包括提高ODMR的对比度和单光子发射的频率稳定性和纯度等，这对于未来量子技术的发展至关重要。最后展望了anti-Stokes激发下的量子辐射源在未来量子信息处理和量子计算方面的应用前景。

图1.  Anti-Stokes激发下的量子传感。(a) NV色心的电荷态操纵：不同激发能量下NV0和NV-之间的电荷态转换过程。(b) Anti-stokes激发下NV-色心发射在4 K处的荧光衰减过程。使用anti-Stokes激发的自旋量子比特稳定相干控制。(c) VSi色心在Stokes激发和anti-Stokes激发下的电子跃迁过程。(d) Stokes和anti-Stokes在不同外磁场作用下激发VSi中心ODMR。

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Phonon-assisted upconversion photoluminescence of quantum emitters

Yuanfei Gao, Jia-Min Lai, Jun Zhang

J. Semicond. 2023, 44(4): 041901  doi: 10.1088/1674-4926/44/4/041901

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自2004年石墨烯被发现以来，二维材料在这二十年中经历了巨大的发展。在实验或理论上已经发现了许多二维材料家族，如III/IV/V/VI族单元素二维材料、过渡金属硫属化合物、MXenes、MA₂Z₄（M=过渡金属族元素IVB/VB/VIB，A=Si/Ge，Z=N/P/As）、α-III₂VI₃（III=Al/Ga/In，VI=S/Se/Te）等等。二维材料在电子、光电子、催化和传感等领域具有巨大的潜力。因此，新型二维材料的探索一直是研究的热点。一般来说，预测新的二维材料主要有三种方法。第一种是基于现有的块状材料，通过机械剥离或液相剥离等获得稳定的二维单层，如石墨烯、二硫化钼和磷烯。二是基于CALYPSO、UPSEX等晶体预测软件，设置合适的结构预测条件，得到在特定条件下的稳定结构。最后则是基于现有的二维结构，利用元素置换或价电子平衡策略预测新结构，如二元V-V化合物。最近，一个新的二维材料家族，即M₂X₂Y₆（M=金属元素，X=Si/Ge/Sn，Y=O/S/Se/Te）或M_IM_IIGe₂Y₆ （M_I和M_II=金属元素，Y=S/Se/Te），因其丰富的性质而被广泛研究。例如，在这些化合物中，许多具有本征铁电、铁弹性和铁磁性质的材料已被证实，在二维存储和自旋电子器件中显示出巨大的潜力。但是，在目前的研究中，金属元素M主要集中在过渡金属或IIIA/VA族元素上，碱土金属没有涉及。

近日，为了探索碱土金属能否形成稳定的类似M_IM_IIX₂Y₆的二维材料，基于元素置换和价电子平衡的思路，华中科技大学缪向水教授课题组的薛堪豪教授和叶镭教授通过第一性原理计算探讨了碱土金属（以Mg为例）在该家族中的可能应用。研究发现，二维单层MgMX₂Y₆（M=Ti/Zr/Hf，X=Si/Ge，Y=S/Se/Te）具有良好的动力学、热力学和机械稳定性。并且MgMX₂Y₆单层都是间接带隙半导体，带隙值在0.870-2.500 eV之间，其带边和光学性能适合于构建多功能光电器件。此外，为了进行比较，还详细讨论了In₂X₂Y₆单层的力学、电子和光学性能。将Mg成功引入二维MX₂Y₆家族，预示着未来可能会发现更多潜在的材料，如Ca基和Sr基二维MX₂Y₆单层材料。因此，这项工作不仅拓宽了现有的二维半导体家族，而且还为未来提供了有益的结果。

该文章以题为“A family of flexible two-dimensional semiconductors: MgMX₂Y₆ (M=Ti/Zr/Hf; X=Si/Ge; Y=S/Se/Te)”发表在Journal of Semiconductors上。

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A family of flexible two-dimensional semiconductors: MgMX₂Y₆ (M=Ti/Zr/Hf; X=Si/Ge; Y=S/Se/Te)

Junhui Yuan, Kanhao Xue, Xiangshui Miao, Lei Ye

J. Semicond. 2023, 44(4): 042101  doi: 10.1088/1674-4926/44/4/042101

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长波红外探测器一直以来被广泛应用于工业等领域。关于长波红外探测技术的研究主要集中在 QWIPs，QDIPs ，HgCdTe以及 III-V 二类超晶格红外光电探测器。然而这些器件一般要求较低的工作温度，随着器件工作温度的提高，急剧减小的载流子扩散长度以及器件较高的暗电流限制了长波长红外探测器在高温工作时的器件性能。如何避免扩散长度以及暗电流对器件性能的影响成为了实现高工作温度长波红外探测器的研究重点之一。源自带间级联激光器结构的带间级联探测器被应用于长波长红外探测技术领域，这种类型的探测器能够有效地避免载流子扩散长度的限制，提高器件的工作温度并提高器件的探测率。通过设计合理的器件结构，克服材料外延生长中的难点，有望进一步提高器件的性能。

中国科学院半导体研究所半导体材料科学重点实验室马文全研究员课题小组，利用InAs/GaSb 二类超晶格材料以及带间级联结构设计了具有三级级联结构的长波长带间级联探测器，经过MBE外延生长和工艺流片制成单管器件，成功实现了大于250 K 的长波长红外探测器。具体的性能如下：77 K 时，器件的50%截止波长为 8.48 μm，最大响应率为 0.93 A/W，此时探测率为 1.12 ´ 10¹¹ cm·Hz^1/2/W；该器件最高能在260 K 工作，此时器件的50%截止波长为11.52 μm，100%截止波长接近14 μm，探测率为5.02 ´ 10⁸ cm·Hz^1/2/W。相比于各种势垒型的长波长 InAs/GaSb 二类超晶格红外探测器，本论文设计的基于带间级联结构的长波红外探测器工作温度更高，暗电流更低，器件的探测率明显提升。基于以上结果，说明带间级联探测器在长波高温领域具有极大的优势，通过后续结构和工艺的优化，可以进一步提高器件的性能以及器件的工作温度。由于带间级联探测器具有高温工作的优势，红外探测组件不需要额外的制冷装置，能够有效地减少整个红外探测系统的尺寸和成本，对于提高光电系统的适用性具有深远意义，成为新一代高温红外探测技术的方向之一。

该文章以题为“Long wavelength interband cascade photodetector with type II InAs/GaSb superlattice absorber”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. (a) 器件一个周期的能带示意; (b) 器件不同温度下的光谱。

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Long wavelength interband cascade photodetector with type II InAs/GaSb superlattice absorber

Shaolong Yan, Jianliang Huang, Ting Xue, Yanhua Zhang, Wenquan Ma

J. Semicond. 2023, 44(4): 042301  doi: 10.1088/1674-4926/44/4/042301

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绿色是三原色之一，提高绿光发光二极管（LED）的发光效率是实现高效率、高亮度RGB（红、绿、蓝）LED的关键。然而一直以来，GaN基绿光LED都陷于“green gap”的问题中。主要原因是其In_xGa_1-xN/GaN多量子阱（MQWs）中铟（In）组分的增加，使得InGaN和GaN之间的失配增加，有源区晶体质量下降。此外，光子难以从高折射率GaN出射到空气中，致使LED的光提取效率较低，进而发光效率较低。

为了提高绿光LED的发光效率，近日西安电子科技大学郝跃教授课题组将纳米图形化的InGaN层引入到绿光InGaN/GaN MQWs的阱前结构中，利用这层较低In组分的InGaN层缓解高In组分绿光MQWs结构中的应变，同时利用其图形化的粗糙表面来增强光的提取，示意图如图1所示。该工作利用Ni金属自掩膜工艺制备纳米图形化InGaN层，工艺简单，且阱前较厚的InGaN层对高In组分InGaN/GaN MQWs的应力调控作用明显，该工作有潜力帮助进一步提高绿光LED的发光效率，以满足其在新型显示和照明中的应用。

该文章以题为“Application of nano-patterned InGaN fabricated by self-assembled Ni nano-masks in green InGaN/GaN multiple quantum wells”发表在Journal of Semiconductors上。

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Application of nano-patterned InGaN fabricated by self-assembled Ni nano-masks in green InGaN/GaN multiple quantum wells

Ruoshi Peng, Shengrui Xu, Xiaomeng Fan, Hongchang Tao, Huake Su, Yuan Gao, Jincheng Zhang, Yue Hao

J. Semicond. 2023, 44(4): 042801  doi: 10.1088/1674-4926/44/4/042801

本研究通过深能级瞬态光谱 (DLTS) 对GaN肖特基二极管 (SBD) 进行了陷阱表征。通过改变率窗比值 (r) 进行选择性探测，可以在相似的温度区间激励不同的陷阱特性。在SBD中，我们发现电子陷阱在距离导带边0.05-1.2 eV的能量范围内，而空穴陷阱在距价带边1.37-2.66 eV的范围内。在较低温度状态下，随着r值的增加，较深的电子陷阱会在一定程度上导致电容产生瞬态变化，而在>300 K的较高温度下，电子和空穴的陷阱能级都随着r的变化而缓慢变化。研究发现，结构内的位错、界面、空位是产生陷阱态的主要原因。

图1. 实验中的Pt-AlGaN/GaN SBD原理图。

文章信息：

Trap analysis on Pt-AlGaN/GaN Schottky barrier diode through deep level transient spectroscopy

Ashish Kumar, Jayjit Mukherjee, D. S. Rawal, K. Asokan, D. Kanjilal

J. Semicond. 2023, 44(4): 042802  doi: 10.1088/1674-4926/44/4/042802

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SOG (Silicon on Glasses) 工艺是一种常用的MEMS惯性器件制备工艺，能够实现超过100 μm厚硅结构的加工，且不用考虑器件的释放时间，结构设计余量大，能够保证器件的噪声性能，是一种常用的MEMS器件制备工艺方案。而复杂结构器件，在刻蚀过程中，不同特征图形的刻蚀速率是不一致的，先刻到截止层的部分，难免会由foot effect造成的过刻蚀影响尺寸精度，这对于精确尺寸器件的加工是不利的。Foot effect指的是在硅刻蚀的截止面上，由电荷积累造成的带电刻蚀气体粒子转向，轰击硅结构底部，造成底部过刻蚀的现象。

中科院半导体研究所集成技术工程研究中心司朝伟副研究员提出可以采用ITO (Indium Tin Oxides) 薄膜作为深硅刻蚀截止层材料，减小这一情况。ITO在氟离子的攻击下损伤较小，与硅的刻蚀选择比能够达到26500，且具有良好的导电性，可以吸收氟离子中的电荷，减少氟离子的反射，从而降低foot effect。悬空的ITO薄膜具有极好的结构强度，能够承受刻蚀轰击后保持完整性，保护底部的结构不受刻蚀。另一方面ITO的去除和释放采用酸性溶液，不破坏硅结构。

该方法用于制备结构厚度为100 μm、特征尺寸为4 μm的MEMS加速度计，SEM下没有观测到由foot effect引起的硅结构底部过刻蚀现象，说明ITO是优良的深硅刻蚀阻挡层材料。因此，合适的牺牲与阻挡层对保持MEMS结构尺寸形状具有极好的作用。

制备的加速度计采用玻璃隔离的TSV (Glass isolated Through glass via) 盖板进行晶圆级气密性封装，与水木智芯公司的开环电容检测电路适配后，其均方根噪声约为163.8 μg，对应的倾角测量噪声为0.0094°，噪声密度在10 Hz附近约为1.2 μg/Hz^1/2，由阿伦方差计算得到的零偏稳定性为9.4 μg，满足倾角测量和惯性导航的性能需求。基于ITO作为深硅刻蚀截止层的SOG MEMS工艺同样可以用来制备跷跷板结构或三明治结构加速度计、音叉陀螺或蝶形陀螺，该工艺方案的成功实施基本解决了我国MEMS惯性器件的自主化生产难题。

该文章以题为“A New DRIE cut-off material in SOG MEMS Process”发表在Journal of Semiconductors上。

图2. 深硅刻蚀的梳齿结构。(a) ITO材料作为深硅刻蚀的阻挡层与硅结构释放的牺牲层，在裂片后也保持了一定的完整性。(b) 释放后被封装好的加速度计梳齿结构。

图3. 采用ITO薄膜作为阻挡层的SOG MEMS工艺中，通过SEM没有观察到明显的foot effect。

文章信息：

A new DRIE cut-off material in SOG MEMS process

Chaowei Si, Yingchun Fu, Guowei Han, Yongmei Zhao, Jin Ning, Zhenyu Wei, Fuhua Yang

J. Semicond. 2023, 44(4): 044101  doi: 10.1088/1674-4926/44/4/044101

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浮栅式闪存存储器是一种利用浮栅俘获与释放电荷来进行信息存储的非易失性存储器件，其主要原理是通过编程与擦除状态下，漏源电流的差异来区分存储比特是“1”还是“0”。然而，源漏电流大小会受到温度的影响而变化，使得读出数据产生错误，在生产和使用过程中带来良率和可靠性问题，所以在闪存读取时，减小这种温度影响至关重要。目前的文献报道的解决方式大多集中于三个方面：利用虚拟单元进行温度系数补偿，新增附带温度偏置控制信号的外围电路模块改善分布，或者利用复杂的算法进行调控。这些方法虽然在理论上解决了读取电流的温漂效应，但在实际应用过程中加大了功耗，降低了存储密度。此外，上述方法未考虑参考单元与存储单元电流温度系数间的差异，导致读取电流与参考电流对温度不能同步变化，造成读取错误。

近日，华虹宏力半导体制造公司李冰寒闪存技术研发团队全面分析了新型共享选择栅的分栅式闪存单元的读取特性，并通过调节参考单元的编程深度来改变其读取电流的温度系数，有效抑制了参考电流的温漂效应。此外，还通过统计发现了闪存中“尾部单元”电流与参考电流的温度系数差异，并根据“尾部单元”电流系数重新对参考单元进行预编程，改变参考电流的温度系数，并与“尾部单元”读取电流的温度系数匹配，成功拓宽了读取窗口，提升了良率，改善了闪存的可靠性。

非温度敏感性的闪存单元读取方法为抑制闪存读取电流的温漂效应提供了新方法，为闪存参考单元的设定提供了新思路，对提升闪存的量产良率，提高闪存可靠性和促进闪存的微缩起到了积极作用。

文章信息：

Temperature-insensitive reading of a flash memory cell

Weiyan Zhang, Tao Yu, Zhifeng Zhu, Binghan Li

J. Semicond. 2023, 44(4): 044102  doi: 10.1088/1674-4926/44/4/044102

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