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专刊 | 半导体学报2023年第9期——面向未来显示技术的先进光电子和电子器件专刊
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面向未来显示技术的先进光电子和电子器件专刊
——纪念香港科技大学先进显示与光电子技术国家重点实验室成立十周年
今年是香港科技大学（HKUST）先进显示与光电子技术国家重点实验室（SKLADOT）成立十周年。SKLADOT的前身是1995年成立的显示技术研究中心（CDR），由此可见，在香港科技大学，显示技术研究已有较长的历史。显示技术研究是一门多学科研究，结合了光学和电子学的发展前沿。SKLADOT创建之初，我们主要专注于液晶显示器（LCD）和薄膜晶体管（TFT）的研究。在20世纪90年代末和21世纪初，它们是使得有源矩阵高清晰度液晶显示器爆发式发展的关键技术。之后，我们的研究又拓展到了有机发光二极管（OLED）和量子技术领域。然而，不论是光发射模式还是光调制模式，TFT仍然是现代电子显示器的支柱。TFT提供了有源矩阵控制，对于高分辨率和高对比度是必不可少的。起初，TFTs的材料主要来源于非晶硅（a-Si），之后又发展到多晶硅材料。事实上，如今大型平板显示器的生产仍在使用低温多晶硅（LTPS）和非晶硅。然而，我们有理由相信金属氧化物（MO）TFT终将取代它们。这是因为，一方面MOTFT像a-Si一样生产简单，成本低，而另一方面却可以达到接近LTPS TFT的高迁移率。
在SKLADOT，我们对MOTFT开展了广泛的研究。在本期纪念专刊中，我们邀请了SKLADOT的前任和现任成员来介绍他们在TFT领域的研究成果，同时也包括了其他一些半导体技术相关的文章。专刊以施闰霄等人的一篇综述开篇，介绍了香港科技大学开发的MOTFT技术及其在基于柔性TFT的生物医学设备中的应用。陈飞廉等人研究了一种新型材料ITZO制成的MOTFT，该材料保证了晶体管的高迁移率。王焱鑫等人报道了一种增强IGZO MOTFT的稳定性、同时提高其寿命的方法。稳定性是阻碍MOTFT大规模发展的主要问题。然而，随着氟化作用能够为MOTFT提供优异的稳定性被证明，我们相信MOTFT在未来会更加重要。
正如前文所说，除了TFT，SKLADOT还开展了其他半导体领域的研究。包括有机发光二极管（OLED）和基于量子点的QLED。Bryan Tam等人的文章介绍了一种利用近空间升华技术制备高分辨率OLED的新方法。瞿祥炜、孙小卫的文章及李德鹏等人的文章介绍并报道了基于量子点的QLEDs的发展情况。此外，钙钛矿这种重要的有机-无机杂化材料，由于具有诸多有趣的特性，正在逐渐获得关注。M. Qammar等人介绍了钙钛矿在忆阻器制造中的应用。龙正浩等人展示了钙钛矿作为图像传感器的数据。他们制备的钙钛矿纳米线可用于神经形态成像，具有广阔的应用前景。张万隆等人的文章中讨论了半导体量子棒的相关内容。他们利用一种原本用于LCD对准的技术，观察到了半导体量子棒具有极佳的对准效应。这一结果证明了跨学科研究的重要性。最后，本期专刊以黄文海对氧化镓功率器件的综述作为结束。
然而，由于篇幅限制，我们在本期专刊中省略了很多研究领域。比如，香港科技大学正在积极发展的微型LED领域。本期呈现的文章只是香港科技大学SKLADOT开展的各种研究中的部分内容。我们衷心感谢本期专刊的作者为介绍他们的研究工作以及在综述中介绍各个领域的进展所做的努力。如前所述，主要作者是SKLADOT的现任成员或与母校保持合作的毕业生。作为SKLADOT过去的创始成员和现任主任，我们衷心感谢他们对本期专刊的贡献。
本期专刊由SKLADOT过去的创始成员和现任主任郭海成教授、范智勇教授担任特约编辑，已在《半导体学报》2023年第9期正式出版，欢迎阅读！
综 述
1 利用低温制备的金属氧化物薄膜晶体管构筑柔性电子系统
金属氧化物（MO）薄膜晶体管（TFT）技术在平板显示领域的成功应用使得人们希望进一步拓宽其应用场景。MO TFT低温制备的特点可以使得其制备在柔性基底上。然而，MO TFT在柔性衬底上的制程工艺受限于有限的热预算，导致晶体管沟道中的缺陷无法完全钝化，造成其电学特性的不均匀甚至是退化。与此同时，目前大多数的柔性电子系统还是由制备在柔性基底上的传感器和制备在硬质基底上的硅基CMOS电路混合集成组成，这种“柔性”+“硬底”的混合集成模式违背了柔性电子的初衷，同时混合集成也极大地增加了系统的制备难度和成本。因此，由MO TFT 构成的柔性电路有望改变这种混合集成的方式，实现电子系统在柔性基底上的单片集成。
文章介绍了香港科技大学王文教授团队在MO TFT及其柔性电子应用领域的相关工作。器件部分介绍了两种300 ℃条件下制备MO TFT的技术。针对低温制成中常见的沟道缺陷问题，利用氟的掺杂来抑制MO中的缺陷。双栅结构的晶体管也被开发，来满足实际应用中对于阈值电压调节和电路补偿的需求。电路部分展示了氟化技术在基础逻辑门电路制备中的优势，氟化对于晶体管性能的提升可以进一步表现在电路性能的提升上。系统部分则介绍了一种全柔性单片集成的生物电信号采集系统，在无需外围硅基电路的辅助下，在柔性基底上直接对生物电信号进行偏置、放大和滤波。另一种系统则是一种单片集成的触觉传感器阵列，通过双栅MO TFT构建的补偿像素电路实现了更均匀的触觉图像的采集。
围绕MO TFT开展的一系列工作充分验证了低温MO TFT在构筑柔性电子系统中的广阔前景。电路方面，以逻辑门单元为基础，可以进一步实现更大规模的柔性集成电路。系统领域，柔性MO TFT可以赋能柔性传感器，使得传感器系统在感知外界变化的同时，进一步获得存储、计算、分析的能力，实现真正的智能传感。
图1. 全柔性单片集成的生物电信号前端采集系统。
图2. 单片集成的触觉传感器阵列。
文章信息：
Low-temperature metal–oxide thin-film transistor technologies for implementing flexible electronic circuits and systems
Runxiao Shi, Tengteng Lei, Zhihe Xia, Man Wong
J. Semicond. 2023, 44(9): 091601 doi: 10.1088/1674-4926/44/9/091601
2 优化ITZO 薄膜晶体管迁移率的进展
近日，深圳大学张猛副教授团队对近年来ITZO TFT技术路线的优化特别是在迁移率方面的研究进行了系统性的概述和总结，主要分为五个方面：源层的优化，栅极介质的优化，源漏电极的优化，界面的优化，器件结构的优化。
图1. 分类方法提高ITZO TFT迁移率。
对于有源层的优化，团队将之分为薄膜的制备、后处理以及掺杂三个部分进行总结。对于薄膜的制备，文章主要对溅射成膜的工艺进行了详细的综述，同时也对其他的成膜方式进行了整理。而在后处理上，更多地侧重于退火工艺优化的整合。掺杂作为硅基方案常用的手段，在金属氧化物上反而较为少见，同时所起到的作用跟多的事牺牲较少的迁移率来提高稳定性的作用。
对于栅极电介质的优化，主要是对于高介电常数的追求，以及电介质界面平整度的优化。在有漏电极的优化方面，相关的报道较少，集中在对不同材料的电极进行比较。
界面优化主要集中在对背沟道的优化，特别是钝化层的作用。而结构优化方面分为了同质结构优化和异质结构优化两个方面，主要有插层结构、沟槽结构、EMMO结构等等。
文章的最后，对ITZO TFT主要的发展方向进行了总结与展望。
该文章以题为“Advances in mobility enhancement of ITZO thin-film transistors: a review”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Advances in mobility enhancement of ITZO thin-film transistors: a review
Feilian Chen, Meng Zhang, Yunhao Wan, Xindi Xu, Man Wong, Hoi-Sing Kwok
J. Semicond. 2023, 44(9): 091602 doi: 10.1088/1674-4926/44/9/091602
3 阻抗分析在量子点发光二极管中的应用
量子点发光二极管（QLED）由于其发射波长可调、窄线宽、高量子产率、可溶液加工的特点，已成为下一代新型显示技术的有力竞争者。到目前为止，红绿蓝QLED的最大外量子效率均已超过20%，且红绿QLED的工作寿命已达到量产标准，这些进展都极大地促进了QLED的商业化进程。
尽管QLED的性能有了相当大的进步，但QLED器件仍有一些亟待解决的器件物理问题，例如QLED的电荷动力学、失效机理、放置老化机理等。因此，要阐明这些复杂的物理现象，需要全面掌握QLED中材料、界面乃至整个器件的电学与光学性质。一般情况下，研究者通常采用稳态的J-V曲线来研究QLED中的载流子行为。为了更深入的理解QLED的器件物理，还需要更多的测试或分析方法。
近日，南方科技大学孙小卫课题组在《半导体学报》综述了阻抗谱在QLED中的应用。作为分析QLED中载流子传输与复合行为的有力工具，阻抗谱可用于原位探测材料、异质结和器件对交流电压的电响应。在综述中，他们阐述了阻抗谱的基本数学原理，阻抗谱中常见的特征曲线在QLED中的应用，例如，在图1中，利用QLED的奈奎斯特图像，可以建立QLED的等效电路图，提取QLED中等效电容的充放电时间，利用QLED的电容-频率曲线可以计算QLED中的缺陷分布，利用QLED的电容-电压曲线，可以提取器件的电荷注入与复合的电压，计算器件中积累的电荷量等，同时作者也介绍了dC/dV测试以及莫特-肖特基方程在QLED中的应用。作者用大量的实例阐述了QLED器件中阻抗谱的数据分析方法，同时也介绍了这些阻抗谱的限制之处。总之，该综述为QLED器件物理和相关领域的研究人员提供了一个有力的分析载流子行为的工具。
该文章以题为“Impedance spectroscopy for quantum dot light-emitting diodes”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. 阻抗分析在QLED中的应用举例。
文章信息：
Impedance spectroscopy for quantum dot light-emitting diodes
Xiangwei Qu, Xiaowei Sun
J. Semicond. 2023, 44(9): 091603 doi: 10.1088/1674-4926/44/9/091603
4 用于忆阻器的有机-无机卤化物钙钛矿材料
有机-无机卤化物钙钛矿(OHPs)以其独特的光电特性吸引了众多研究者的关注并广泛用于光伏领域。迄今为止，其能量转换效率已经超过26%。除了光伏领域，这些材料在光电探测器、传感器、发光二极管及电阻器等其它领域也极具应用潜力。为了应对摩尔定律和冯诺依曼瓶颈不断逼近的挑战，许多关于架构计算、信息存储的新技术研究正在广泛开展。自从忆阻器作为第四种电路元件被发现以来，研究者们探索了许多用于忆阻应用的材料。最近，研究者们进一步探索了可用于忆阻器的OHPs材料。这类材料具备极具前景的忆阻特性，目前，各种类型的卤化物钙钛矿被用于不同领域，这些领域不局限于数据存储，还扩展到了人工突触和神经形态计算。本综述总结了OHPs在忆阻器应用方面的最新进展、独特的电学性质及材料制备方法，并对其未来的发展进行了展望。
该文章以题为“Organic-inorganic halide perovskites for memristors”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Organic-inorganic halide perovskites for memristors
Memoona Qammar, Bosen Zou, Jonathan E. Halpert
J. Semicond. 2023, 44(9): 091604 doi: 10.1088/1674-4926/44/9/091604
5 β-Ga2O3肖特基功率二极管的发展形势
β-Ga2O3肖特基二极管在功率电子应用领域的研究与开发取得了迅速的进展。本文回顾了最新的β-Ga2O3整流器技术，包括先进的二极管结构，这种结构可以通过降低表面电场效应产生更低的反向漏电流。本文总结了不同器件的特性，包括导通电阻、击穿电压、整流比、动态开关以及非理想效应。还介绍了β-Ga2O3肖特基二极管的高温韧性和热封装解决方案。
该文章以题为“A landscape of β-Ga2O3 Schottky power diodes”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
A landscape of β-Ga2O3 Schottky power diodes
Man Hoi Wong
J. Semicond. 2023, 44(9): 091605 doi: 10.1088/1674-4926/44/9/091605
研 究 论 文 6 通过氟化有效抑制非晶InGaZnO TFT的大电流应力退化
非晶氧化物半导体薄膜晶体管由于其优良的电学特性，已被广泛应用于大面积柔性显示器。近年来，GOA、micro-LED等先进应用场景对其大电流驱动能力的需求越来越高。然而在大电流下，非晶氧化物半导体的低热导率使沟道容易升温；高温下，沟道中大量的本征缺陷进一步使晶体管表现出严重的退化行为。目前，抑制大电流退化的一种有效手段是提高散热能力，但同时限制了晶体管的结构或尺寸。另一种手段是减少沟道缺陷，这方面的研究较少且局限于通过氧含量来调节缺陷。因此，寻找更加有效的缺陷钝化手段以获得大电流下稳定性良好的非晶氧化物半导体薄膜晶体管具有重要意义。
近日，北京大学陆磊教授课题组提出了利用氟的缺陷抑制作用，从而有效减缓非晶InGaZnO薄膜晶体管的大电流退化过程。本工作首先基于输出特性和时间尺度下的漏极电流变化建立了对电流应力退化更科学的评估手段，然后据此评估了氟化对非晶InGaZnO薄膜晶体管大电流稳定性的改善效果。在输出特性曲线中，本工作创新地采用了输出电阻曲线以定义大电流退化的触发电压，并通过氟化将触发电压从23.4 V提升至27.9V。对比相同初始功率下漏极电流随时间的变化曲线，通过计算漏极电流的线性增长率，体现出氟化将浅施主缺陷的产生速率减缓了28%。进一步推测，氟化不仅减少了深能级的缺陷量，而且降低了深能级缺陷向浅施主缺陷的转化率，从而使改善效果如此显著。该研究为抑制沟道缺陷以提高非晶氧化物半导体薄膜晶体管的大电流稳定性提供了一种新方法，将有助于其在GOA、micro-LED等电流驱动能力需求较强领域的应用。
图1. (a) 非晶InGaZnO薄膜晶体管输出特性及输出电阻曲线；(b) 氟化非晶InGaZnO薄膜晶体管输出特性及输出电阻曲线；(c) 相同初始功率下两种薄膜晶体管漏极电流的时间演变曲线；(d) 缺陷转化与氟作用机理的态密度图。
文章信息：
Fluorination-mitigated high-current degradation of amorphous InGaZnO thin-film transistors
Yanxin Wang, Jiye Li, Fayang Liu, Dongxiang Luo, Yunping Wang, Shengdong Zhang, Lei Lu
J. Semicond. 2023, 44(9): 092601 doi: 10.1088/1674-4926/44/9/092601
7 利用近空间升华法低温保形真空沉积OLED器件
图1. CSS的流程。
文章信息：
Low-temperature conformal vacuum deposition of OLED devices using close-space sublimation
Bryan Siu Ting Tam, Shou-Cheng Dong, Ching W. Tang
J. Semicond. 2023, 44(9): 092602 doi: 10.1088/1674-4926/44/9/092602
8 通过配体处理提高基于溶液处理空穴传输层的倒置量子点发光二极管的性能
随着科技的不断进步，量子点发光二极管（Quantum-Dot Light-Emitting Diodes，简称QLEDs）已经成为了照明和显示技术领域的重要突破。然而目前，在QLED倒置结构器件使用可旋涂的空穴传输层受到了很大限制，这主要是由于用于空穴传输层的涂布工艺在一定程度上对量子点薄膜造成了损害，限制了器件性能的提高。这一问题的根本原因在于空穴传输层溶剂与量子点薄膜之间的不兼容性，导致薄膜表面不平整，器件漏电通道增加，进而对整个器件性能产生了负面影响。
为了解决这一难题，南方科技大学孙小卫课题组在长期的研究中取得了新的进展。他们开发出了一种配体处理的方法，采用1,8-二氨基辛烷对量子点薄膜进行修饰。这种方法在不影响量子点自身优异的高量子产率和窄半峰宽等特性的同时，提高了量子点薄膜对空穴传输层溶剂（例如氯苯）的抗侵蚀能力。相较于未处理的QLED器件，配体处理后的红色倒置QLED器件中的开启电压仍为1.8 V，但是由于量子点薄膜在TFB旋涂后依然比较均匀致密，从而减少了器件中的漏电通道的产生，并抑制了TFB的寄生发光，最终提高了倒置QLED器件的效率。采用此方法处理后的QLED器件最大亮度从42,980 cd/m2提高到了105,500 cd/m2，并且外量子效率从4.83%提升到了13.34%。
该文章以题为“Enhancing performance of inverted quantum-dot light-emitting diodes based on a solution-processed hole transport layer via ligand treatment”发表在Journal of Semiconductors上。
图2. 倒置QLED的器件特性。(a) 器件结构， (b) 电流密度-电压-亮度特性，(c) 外量子效率-电流密度特性，以及 (d) 倒置QLED器件的电致发光光谱（8 V电压下）。
文章信息：
Enhancing performance of inverted quantum-dot light-emitting diodes based on a solution-processed hole transport layer via ligand treatment
Depeng Li, Jingrui Ma, Wenbo Liu, Guohong Xiang, Xiangwei Qu, Siqi Jia, Mi Gu, Jiahao Wei, Pai Liu, Kai Wang, Xiaowei Sun
J. Semicond. 2023, 44(9): 092603 doi: 10.1088/1674-4926/44/9/092603
9 一种基于全无机钙钛矿纳米线阵列的标准-神经形态重模式图像传感器
逐帧成像的图像传感器已得到了充分的发展，在各种应用场景中都有很好的适应性。但分布的图像探测，储存及处理模组导致了低效、高功耗等问题。近年来，神经形态的图像传感器实现了在传感器上计算的功能，使图像探测及信号处理更高效、节能。但是，神经形态器件仅具有某些特定的数据处理功能，单个器件通常难以适应广泛的应用场景。
香港科技大学范智勇教授课题组设计并制造了一种具有双重模式的图像传感器。在标准成像模式下，此器件能够实现逐帧成像，可与传统技术结合适应广泛的应用场景。在神经形态成像模式下，此器件具有仿生神经突触的光响应性能，能够在传感器上进行信号处理，从而极大地提升了图像识别、形状识别等应用的效率。两种模式之间的切换能通过简单的改变电压来实现。值得一提的是，标准成像模式并不需要外加电压便可工作，进一步降低了能耗。这个器件基于纳米模板辅助生长的无机钙钛矿纳米线阵列，制备简单，具有广泛的应用前景。
这个工作体现了新材料和纳米结构在解决实际应用问题上的巨大潜力。通过结合传统技术和仿生电子器件的优势，我们相信在未来，图像传感器能够更智能、更高效，能够超越生物的视觉和认知能力，更好地满足人类日益增长的美好生活的需求。
该文章以题为“A dual-mode image sensor using an all-inorganic perovskite nanowire array for standard and neuromorphic imaging”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
A dual-mode image sensor using an all-inorganic perovskite nanowire array for standard and neuromorphic imaging
Zhenghao Long, Yucheng Ding, Xiao Qiu, Yu Zhou, Shivam Kumar, Zhiyong Fan
J. Semicond. 2023, 44(9): 092604 doi: 10.1088/1674-4926/44/9/092604
10 半导体CdSe/CdS量子棒的光控灵活排列
2023年10月4日，瑞典皇家科学院宣布，2023年诺贝尔化学奖的殊荣将颁发给美国麻省理工学院教授Moungi G.Bawendi、美国哥伦比亚大学教授Louis E. Brus和美国纳米晶体科技公司科学家Alexei Ekimov，以表彰他们在发现和合成量子点方面做出的贡献。
量子点（Quantum Dot，QD）作为一种新兴的半导体纳米晶材料，也被称为“人造原子”，量子点中的电子和空穴受到空间限制，形成类似于原子的能级结构，就是常说的量子限域效应。如果将量子点拉成棒状，便会成为量子棒（Quantum Rod，QR），量子棒的各向异性结构特性可以使其沿长轴吸收并发射偏振光。以核壳结构胶体CdSe/CdS（硒化镉/硫化镉）量子棒为例，在传统量子点具有的光谱精确可调、半峰宽窄、量子效率高、色域广等优点基础上，更展现出了偏振吸收与激发、高量子效率（>80%）、大斯托克斯位移（Stokes Shift）等优异特性。通过实现量子棒在平面内的大规模定向排列，拥有偏振荧光特性的量子棒薄膜可广泛应用在低功耗、宽色域的显示领域。
深圳大学袁小聪教授课题组和香港科技大学Abhishek K. Srivastava教授课题组合作介绍了利用光控取向技术实现的量子棒灵活排列。与大规模平面内定向排列不同，利用光控取向材料可重构的特点，可实现量子棒在微区中灵活多畴取向，展示出在光子器件、光学加密防伪等领域中的应用场景。
图1（a）展示了量子棒薄膜多畴取向的过程。首先，将光控取向材料SD1旋涂至干净的玻璃基板上并加热烘干，用线偏振光（偏振角度为0°）进行第一次照射，使SD1分子均匀定向排列。然后旋转线偏振光角度至90°，配合光学达曼光栅掩膜板（图1（b））进行第二次照射。这时，SD1分子在掩膜板所盖住的区域保持原有排列方向，而被第二次照射的SD1分子会重新定向，其排列方向跟随照射光的偏振角度同时转动90°。此时，相邻区域的SD1分子排列方向相互垂直。随后，将“SKL”字母掩膜板替换达曼光栅掩膜板进行第三次照射，此时，“SKL”字母外的区域被均匀取向，而字母内的区域仍保留达曼光栅图案。最后，根据相同的步骤将量子棒与液晶单体混合溶液旋涂至该SD1基板上并进行UV聚合，形成QR/LCP薄膜。由于达曼光栅具有周期性结构，因此所制备的薄膜（图1（c））可以清楚的看见“磨砂状”的“SKL”图案，在有激光通过时，会有7X7个“SKL”衍射图案。
与此同时，由于量子棒具有各项异性的吸收和荧光，在配有偏振片的荧光显微镜下，可以看到其在不同偏振方向的正/负相荧光图案，如图2（b）和（c）所示。
为了进一步展现量子棒光控排列的灵活性，作者也展示了仅用一步就可实现量子棒的连续图案化排列的偏振转换全息技术。其示意图如图3所示，偏振转换全息是将透镜的相位拓扑进行编码，偏振光经过所准备的平凸液晶透镜和四分之一波片（QWP）后转换为连续偏振方位角分布，并投影到SD1基板上。这种偏振全息投影曝光方法的优点在于所制造的全息透镜图案具有极高的分辨率（可达数百纳米），并且可以实现单步曝光。
图4. 偏振显微镜下的量子棒连续排列分布。（a）偏振光学显微图，（c）偏振荧光显微图。（b）为亮度变化对比图。
本文展示了一种利用光控取向技术实现对半导体量子棒的灵活排列技术，可实现对量子棒在微区内多畴取向、以及通过偏振转换全息技术实现一步曝光取向，展现了多维度灵活的量子棒排列技术。结合量子棒的各向异性吸收与荧光、光谱精确可调、半峰宽窄、量子效率高等特点，有望应用于光子器件、光学加密防伪等领域。
本研究得到了广东省自然科学基金、国家自然科学基金、之江实验室开放课题基金、香港研究资助局、香港科技大学先进显示与光电子技术国家重点实验等相关项目的支持。
文章信息：
Photo-induced flexible semiconductor CdSe/CdS quantum rods alignment
Wanlong Zhang, Julian Schneider, Maksym F. Prodanov, Valerii V. Vashchenko, Andrey L. Rogach, Xiaocong Yuan, Abhishek K. Srivastava
J. Semicond. 2023, 44(9): 092605 doi: 10.1088/1674-4926/44/9/092605
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