综  述

1 GaN基紫外激光器

氮化镓（GaN）基材料被称为第三代半导体，其光谱范围覆盖了近红外、可见光和紫外全波段，在光电子学领域有重要的应用价值。AlGaN是GaN基材料体系的重要部分，在紫外方面有独特的优势（其波段覆盖200-365 nm）。AlGaN紫外激光器由于波长短、光子能量大，在病毒检测、紫外固化以及紫外通信等领域有重要的应用前景。但由于AlGaN紫外激光器基于大失配异质外延材料技术制备而成，缺陷多、掺杂难，器件研制难度大，是国际半导体激光器领域公认的难题。

中国科学院半导体研究所赵德刚研究员、杨静副研究员等长期聚焦于GaN基光电子材料与器件研究。2016年研制出我国第一支GaN基紫外激光器（380-395 nm波段）。2022年实现我国唯一的电注入激射AlGaN紫外激光器（357.9 nm），并实现国际上室温连续输出功率最大的紫外激光器（3.8 W@386.5 nm）。本文从紫外激光器的结构、材料和器件工艺角度分析了GaN基紫外激光器研制的难点以及国际上解决这些难题采用的方法，并重点介绍了我们团队在紫外激光器方面的工作，包括采用AlN应力调控层实现近弛豫AlGaN模版层生长、抑制AlGaN材料中空位缺陷实现低电阻率n-AlGaN材料、局域态调控提高紫外量子阱发光效率、超薄波导紫外激光器结构、紫外激光器自发热抑制以及紫外激光器的腔面损伤机制等。

我们团队在GaN基紫外激光器的突破性研究成果将推动紫外半导体激光器国产化进程，支撑紫外固化、紫外通信等领域的自主发展。

图1. LD结构示意图。

该文章以题为“GaN based ultraviolet laser diodes”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

GaN based ultraviolet laser diodes

Jing Yang, Degang Zhao, Zongshun Liu, Yujie Huang, Baibin Wang, Xiaowei Wang, Yuheng Zhang, Zhenzhuo Zhang, Feng Liang, Lihong Duan, Hai Wang, Yongsheng Shi

J. Semicond.  2024, 45(1): 011501  

doi: 10.1088/1674-4926/45/1/011501

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研究论文

2 高居里温度磁性半导体(Ga_1-x-yFe_xNi_y)Sb性能的改善

磁性半导体兼具半导体和磁性材料的特征，可用于制备低功耗和高处理速度的非易失性自旋电子学器件。其中，Fe基III-V族磁性半导体由于具有高居里温度等特点而受到了特别关注，如 (Ga_1-xFe_x)Sb的最高居里温度接近400 K。然而，(Ga_1-xFe_x)Sb的磁各向异性弱且载流子迁移率较低，这限制了(Ga,Fe)Sb的应用潜力。近日，中国科学院半导体研究所赵建华-魏大海课题组研究了通过Fe-Ni共掺杂来有效提高(Ga_1-xFe_x)Sb磁各向异性和空穴迁移率的方法。他们发现，Ni掺杂可以有效地提高体系的磁各向异性，(Ga_1-x-yFe_xNi_y)Sb的磁各向异性常数（Ku = 3.8 × 10⁵ erg/cm³）相比(Ga_1-xFe_x)Sb的典型值（Ku = 7.6 × 10³ erg/cm³）高出约两个数量级。此外，用Ni取代一部分Fe进行掺杂，可以获得更高的空穴迁移率（最高可达31.3 cm²/(V.s)），约为(Ga_1-xFe_x)Sb典型值的五倍。这项研究提供了一种在保持(Ga_1-xFe_x)Sb高居里温度的同时还能有效提高其磁各向异性和空穴迁移率的方法，为后续研制(Ga_1-x-yFe_xNi_y)Sb磁性半导体相关的自旋电子学器件的究打下了基础。该文章以“Enhanced magnetic anisotropy and high hole mobility in magnetic semiconductor Ga_1-x-yFe_xNi_ySb”为题发表在Journal of Semiconductors上。

图1. (a)-(b) 温度为10 K时，(Ga_1-x-yFe_xNi_y)Sb样品（Ni浓度分别为1.7%和6.1%）的面内外磁滞回线，其中x为Fe掺杂浓度，y为Ni掺杂浓度，图中蓝色和红色线条分别代表磁场方向垂直和平行于样品表面。

图2. (a-b) 温度为10 K时，(Ga_1-x-yFe_xNi_y)Sb样品（Ni浓度分别为1.7%和2.8%）的霍尔电阻(a-b) 温度为10 K时，(Ga_1-x-yFe_xNi_y)Sb样品（Ni浓度分别为1.7%和2.8%）的霍尔电阻随磁场(R_Hall−H)的变化曲线，图中红色虚线为根据16 T附近的测试数据得到的拟合直线，插图为零场附近的R_Hall−H曲线。

文章信息：

Enhanced magnetic anisotropy and high hole mobility in magnetic semiconductor Ga_1-x-yFe_xNi_ySb

Zhi Deng, Hailong Wang, Qiqi Wei, Lei Liu, Hongli Sun, Dong Pan, Dahai Wei, Jianhua Zhao

J. Semicond.  2024, 45(1): 012101  

doi: 10.1088/1674-4926/45/1/012101

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3 高功率、双极化CMOS 5G毫米波相控阵系统芯片

由于低成本、高集成度等优势，硅基大规模相控阵天线已经越来越多地被部署在以5G 毫米波通信系统、卫星通信系统等无线通信系统中，通过增加阵元数量的方式提升系统的发射EIRP和接收增益，以克服毫米波频段较高的路径损耗。然而，在宽带无线通信场景中，通过单纯增加相控阵系统的阵元数量实现发射EIRP 的提升，会导致波束偏斜、信号质量下降、单波束覆盖范围下降等问题。因此，有必要基于自主可控低成本CMOS工艺，开展高功率毫米波相控阵系统芯片研究，在防止相控阵规模过大的前提下提升相控阵系统的发射EIRP，实现适用于宽带无线通信场景的低成本毫米波相控阵系统。近日，东南大学尤肖虎院士、赵涤燹教授课题组在毫米波5G相控阵收发系统射频前端芯片方向取得突破。研究团队针对毫米波5G的TDD时分复用场景和高功率需求，提出与射频开关联合设计的双路合成功率放大器技术，有效提升发射输出功率，降低射频开关对接收噪声系数的影响；针对毫米波5G采用的宽带高阶调制信号 (64/256-QAM OFDM)，提出功率放大器宽带线性化技术，有效改善射频芯片发射模式在高功率下的幅度失真和相位失真，同时有效抑制射频芯片在宽带信号下的电学记忆效应，解决了传输宽带高阶调制信号的难题；针对毫米波5G大规模相控阵天线的移相调幅需求，提出矢量调制移相器和零功耗无源衰减器技术，实现全数字控制、低附加误差的6-bit 360° 移相和6-bit 31.5 dB调幅。基于上述创新技术，研究团队基于自主可控低成本65 nm CMOS集成电路体硅工艺平台，实现了毫米波5G相控阵收发系统射频前端芯片。该芯片工作频率为 24-30 GHz，覆盖3GPP n257, n258, n261三个毫米波5G频带，连续波信号下发射模式的峰值输出功率和功率附加效率分别为20.8 dBm/21.1%；接收模式的最低噪声系数为4.1 dB。在毫米波5G OFDM信号激励下，400-MHz 64-QAM调制峰值输出功率达到 12.4 dBm。发射与接收模式均支持6-bit 360° 移相和6-bit 31.5 dB调幅。作为5G毫米波无线传输系统的硬件基础，低成本、高性能、自主可控的相控阵收发系统射频前端芯片将为5G毫米波的大规模商用打下基石。该文章以题为“A 24-30 GHz 8-element dual-polarized 5G FR2 phased-array transceiver IC with 20.8-dBm TX OP1dB and 4.1-dB RX NF in 65-nm CMOS”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 高功率、双极化CMOS 5G毫米波相控阵系统芯片显微照片。

图2. 高功率、双极化CMOS 5G毫米波相控阵系统芯片测试结果：(a) 发射模式S参数；(b) 发射模式功率测试；(c) 接收模式S参数及噪声系数；(d) 360°移相测试；(e) 31.5-dB调幅测试。

文章信息：

A 24−30 GHz 8-element dual-polarized 5G FR2 phased-array transceiver IC with 20.8-dBm TX OP1dB and 4.1-dB RX NFin 65-nm CMOS

Yongran Yi, Dixian Zhao, Jiajun Zhang, Peng Gu, Chenyu Xu, Yuan Chai, Huiqi Liu, Xiaohu You

J. Semicond.  2024, 45(1): 012201  

doi: 10.1088/1674-4926/45/1/012201

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4 超高耐久性闪存存算一体单元模式优化设计

闪存作为非易失性存储器（NVM）主流存储介质已被广泛应用于各类独立式存储和嵌入式存储产品。然而，由于闪存单元擦写次数较少（1-bit/cell的SLC存储模式下擦写次数～10⁵），其在存储级内存（SCM）以及存算一体（CIM）应用中受到限制。为了构建可处理通用型计算任务的存算一体架构，存算单元需要在保证高精度、高鲁棒性、长寿命的同时，具备构筑大规模存算阵列的能力。近年来，三维大容量NAND闪存技术极速发展，而高速NAND闪存（例如KIOXIA公司的XL-Flash）技术也在迭代提升。如何优化闪存工作模式来实现高速度、高精度、长寿命的存储级内存，对于设计高能效计算系统是非常重要的。

近日，山东大学陈杰智课题组提出了一种全新的操作方式以提升闪存器件的耐久性。通过实施沟道热电子注入-热空穴注入编程方案和存算窗口优化，该工作实现了闪存存算单元的高耐用性（>10⁹）和超快编程速度（10 ns）。10⁹个擦写循环后，大亚阈值摆幅和低关态电流的电学特性使得我们具有更大的阈值电压调控范围和更好的错误容忍度。基于优化的工作模式，我们提出了一种闪存存算一体系统。结果表明，即使在10⁹个擦写循环之后，该系统执行 CIFAR-10 任务时依然可以获得 ~90%的计算精度。该工作系统评估了闪存存算一体单元，为设计高可靠性人工智能加速器提供了一种新思路。

该文章以题为“Optimized operation scheme of flash-memory-based neural network online training with ultra-high endurance”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 闪存阵列及操作方式优化结果。

文章信息：

Optimized operation scheme of flash-memory-based neural network online training with ultra-high endurance

Yang Feng, Zhaohui Sun, Yueran Qi, Xuepeng Zhan, Junyu Zhang, Jing Liu, Masaharu Kobayashi, Jixuan Wu, Jiezhi Chen

J. Semicond.  2024, 45(1): 012301  

doi: 10.1088/1674-4926/45/1/012301

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5 输出功率密度为11.2 W/mm的同质外延AlGaN/GaN HEMT器件

相比于异质外延材料，基于GaN衬底的同质外延AlGaN/GaN HEMT器件具有更低位错密度、更高击穿电压、更低电流崩塌、更大输出功率密度等潜在优势，但是外延层与衬底之间存在副沟道，形成漏电通道，严重制约器件的耐压和输出功率。中国电子科技集团公司第十三研究所固态微波器件与电路全国重点实验室冯志红团队通过引入杂质补偿层与p型阻挡层，隔绝衬底与外延层界面的副沟道，有效降低泄露电流；同时引入Γ型栅作为栅场板调控电场，进一步提升器件耐压与输出功率，研制的同质外延AlGaN/GaN HEMT器件10 GHz下输出功率达到11.2 W/mm。

该文章以题为“11.2 W/mm power density AlGaN/GaN high electron-mobility transistors on a GaN substrate”发表在Journal of Semiconductors上。

（a）                                          （b）

图1. (a) GaN衬底上AlGaN/GaN HEMT的示意图。(b) Γ-shaped栅极的SEM图。

文章信息：

11.2 W/mm power density AlGaN/GaN high electron-mobility transistors on a GaN substrate

Yansheng Hu, Yuangang Wang, Wei Wang, Yuanjie Lv, Hongyu Guo, Zhirong Zhang, Hao Yu, Xubo Song, Xingye zhou, Tingting Han, Shaobo Dun, Hongyu Liu, Aimin Bu, Zhihong Feng

J. Semicond.  2024, 45(1): 012501  

doi: 10.1088/1674-4926/45/1/012501

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6 4H碳化硅单晶的各向异性碱腐蚀机制

在“碳达峰”和“碳中和”目标的牵引下，面向新能源的发电上网、电能充储、电力高压输送以及电力应用如电动汽车等环节都迫切需要功率半导体技术。与传统的半导体材料单晶硅相比，单晶碳化硅（主要是4H晶型的单晶碳化硅）具有禁带宽度更大、热导率更高、击穿场强更高、电子饱和漂移速率更高、化学稳定性和热稳定性更好等优异特性，因而成为了一种新兴的面向功率半导体应用的至关重要的半导体材料。但是，目前4H碳化硅单晶中的总位错密度仍在 10³cm^-2 数量级，这严重限制了4H-SiC单晶在功率器件中充分发挥其潜力。研究者人员当前普遍采用熔融碱腐蚀4H-SiC单晶，再根据沿位错线择优腐蚀形成的腐蚀坑的形状、大小和倾角来辨别位错类型，从而统计4H-SiC单晶中各种类型位错的密度。但是，该方法主要适用于4H-SiC的硅面，难于显露其碳面的位错腐蚀坑。这种差异存在的内在机制还尚不明晰。针对上述问题，浙江大学杨德仁院士团队的皮孝东教授和王蓉研究员等人开展了熔融碱腐蚀4H-SiC单晶的研究，明确了4H-SiC单晶的碳面和硅面的腐蚀激活能分别为25.09 kcal/mol（1.05 eV）和35.75 kcal/mol（1.50 eV），碳面的腐蚀速率高于硅面。揭示了在熔融碱腐蚀过程中，溶解于熔融碱液中的氧首先使4H-SiC的硅面和碳面发生氧化，熔融碱随后将氧化层去除。XPS测试和第一性原理计算结果表明，碳面的高腐蚀速率是由于碳面的氧化物不稳定，更容易被熔融碱去除。在熔融碱腐蚀过程中，因为碳面的各向同性腐蚀去除速率高于沿位错线的择优腐蚀，所以在碳面发生的是各向同性去除；而硅面的各向同性腐蚀去除速率低于沿位错线的择优腐蚀，因此在硅面显露了各种类型位错的腐蚀坑。该文章以题为“Anisotropic etching mechanism of 4H-SiC: Experimental and first-principles insights”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 4H-SiC单晶的熔融碱腐蚀示意图和熔融碱腐蚀过程中氧化物的去除示意图。

文章信息：

Anisotropic etching mechanisms of 4H-SiC: Experimental and first-principles insights

Guang Yang, Lingbo Xu, Can Cui, Xiaodong Pi, Deren Yang, Rong Wang

J. Semicond.  2024, 45(1): 012502  

doi: 10.1088/1674-4926/45/1/012502

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7 高隧穿效率GaN/InGaN/GaN隧道结的分子束外延生长及电学性能研究

隧道结是提高p型GaN材的空穴注入效率的一种有效技术路线。通过在隧道结中施加反向偏置电压，使p型材料价带中的电子隧穿至n型材料导带中，从而实现新的器件结构，提高光电子器件的性能。提升隧道结中载流子的隧穿效率是关键。通过引入插入层可调控隧道结界面极化，诱导高电场，促使结两侧的价带和导带对齐，获得高的隧穿效率。使用小带隙的InGaN层有利于减小耗尽区宽度和界面势垒高度，从而更容易实现高效率的隧穿特性。基于MOCVD技术，研究人员利用p-GaN/In_0.4Ga_0.6N/n-GaN隧道结实现了低电阻隧道结。然而，使用高In组分InGaN插入层将导致材料质量的恶化、应变和界面调控难等技术问题；在MOCVD生长的隧道结中，Mg的低活化率是一个巨大的难题。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所杨辉研究员团队系统研究了基于MBE生长的GaN/InGaN/GaN隧道结的电学性能和结构优化，探究了In组分、InGaN插入层厚度和掺杂浓度对p⁺⁺GaN/InGaN/n⁺⁺-GaN隧道结电学性能的影响。当掺杂浓度足够高时，InGaN插入层可以促进GaN/InGaN/GaN 隧道结中良好的带间隧穿，显著降低工作电压。对于3 nm InGaN插入层，隧穿电流密度随着In组分增加而增加，这得益于高In组分InGaN有效减小耗尽区宽度和势垒高度。通过引入3 nm p⁺⁺-In_0.35Ga_0.65N插入层，隧道结在500 A/cm²的正向电流密度下的工作电压为4.31 V，微分电阻为3.75×10^-3 Ω·cm²。此外，当In_0.35Ga_0.65N层的厚度接近“平衡”厚度时，隧道结有最大的隧穿电流；过大或过小的厚度都会增大耗尽区的宽度，从而导致电流密度减小。

总之，极化工程隧道结可以克服p型掺杂问题，并提高光电子氮化物半导体器件的功能和性能，为研制新型GaN基光电子器件开辟一条新的技术途径。该文章以题为“Electrical properties and structural optimization of GaN/InGaN/GaN tunnel junction grown by molecular beam epitaxy”发表在Journal of Semiconductors期刊上。

图1. GaN/InGaN/GaN隧道结的结构示意图及等效电路模型；InGaN插入层的厚度与In组分对隧道结电学特性的影响曲线。

文章信息：

Electrical properties and structural optimization of GaN/InGaN/GaN tunnel junctions grown by molecular beam epitaxy

Jun Fang, Fan Zhang, Wenxian Yang, Aiqin Tian, Jianping Liu, Shulong Lu, Hui Yang

J. Semicond.  2024, 45(1): 012503  

doi: 10.1088/1674-4926/45/1/012503

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8 240 nm AlGaN基深紫外micro-LED：尺寸效应 VS 侧壁效应

AlGaN基深紫外micro-LED具有光效高、寿命长、空间分辨率高、调制带宽高、节能环保等优势，在紫外保密通讯等领域具有重大应用潜力。此外，波长短于250 nm的深紫外光随波长缩短，对人体的伤害减小，可极大扩展深紫外micro-LED应用场景。然而，倒装结构的micro-LED在高电流密度应用场景下由于发光台面边缘电流聚集，严重影响器件光效和使用寿命。电流聚集的根源在于n-AlGaN材料的低电导率限制电流均匀分布。对于波长短于250 nm的深紫外micro-LED，其Al组分高于70%，n-AlGaN的电导率降低，电流集聚导致其光效降低。此外，短波深紫micro-LED TM光占比高，光提取效率低，进一步降低了其光效。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所黎大兵、孙晓娟研究员团队研制了波长为240 nm的深紫外micro-LED，并通过侧壁工程提高量子效率及光提取效率，实现了峰值光功率提高了81.83%。首先，针对240 nm深紫外micro-LED TM光占比高、光提取效率低的问题，提出倾斜高反射台面增强侧壁光提取的方法，通过30°角倾斜台面侧壁（如图1a、1b所示）及侧壁处Al反射结构（如图1c所示）设计，实现了micro-LED尺寸从50 μm缩小到25 μm，光提取效率提高了26.21%。其次，针对短波深紫外micro-LED电流在台面边缘集聚的问题，提出通过延长发光台面侧壁总周长的方法缓解电流拥挤效应，通过micro-LED阵列化、小型化，进而增大侧壁总周长（如图2c-e所示），提高了电流分布均匀性，降低局域化自发热，最终实现了随着micro-LED发光台面半径尺寸从50 μm缩小到25 μm，电流为9 mA处的外量子效率提高了145.86%，峰值光功率提高了81.83%（如图2a所示）。

图1. 尺寸为12.5 μm 的micro-LED (a) 发光台面及 (b) 沿半径方向的横断面侧壁倾角的SEM图。图 (b) 中的插图为倾斜台面为30° 时对TM光提取效率增强的原理。(c) 为micro-LED 的FDTD仿真模型。图 (d) - (f) 分别为R = 50.0 μm、25.0 μm和12.5 μm 的micro-LED的TE光的电场分布图。图 (g) - (i) 分别为R = 50.0 μm、25.0 μm和12.5 μm 的micro-LED的TM光的电场分布图。

图2. 不同尺寸micro-LED光功率及EQE (a) 实验及 (b) 仿真结果。不同尺寸micro-LED：R = (c) 12.5 μm, (d) 25.0 μm, 和 (e) 50.0 μm。(f) 12.5 μm 尺寸micro-LEDs 不同电流下的光谱图。

通过控制micro-LED阵列中单颗micro-LED的光强及曝光时间，可以制备不同形状的3D掩膜图形，该方法的优势是无需掩膜版，且可以任意控制不同微区的曝光剂量，进而一次性制备所需的3D形貌，极大降低成本，提高效率，并可制备复杂结构三维形貌。另一方面，深紫外micro-LED由于调制带宽高、小巧轻便，且深紫外光不受电磁屏蔽影响，在非视距保密通讯中具有重要应用前景。此外，深紫外micro-LED可以制备图形化杀菌光源，根据伤口的形状发出特定图案的光，应用于手术机器人或手术过程中自动杀菌装置。

该文章以题为“240 nm AlGaN-based deep ultraviolet micro-LEDs: size effect versus edge effect”发表在Journal of Semiconductor上。

文章信息：

240 nm AlGaN-based deep ultraviolet micro-LEDs: size effect versus edge effect

Shunpeng Lu, Jiangxiao Bai, Hongbo Li, Ke Jiang, Jianwei Ben, Shanli Zhang, Zi-Hui Zhang, Xiaojuan Sun, Dabing Li

J. Semicond.  2024, 45(1): 012504  

doi: 10.1088/1674-4926/45/1/012504

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9 基于Bi₂O₂Se/WSe₂异质结栅极电压调控的双向整流器

范德华异质结因不需要严格的晶格匹配，可以灵活方便地组合，为晶体管性能优化和功能开发开辟了更多的可能性。传统的异质结晶体管具有二极管整流特性，只允许电流在异质结区域之间单向通过。目前比较流行的双向整流二极管是由两个PN结二极管组成，当一个电压加到其中一个PN结上时，该结处于导通状态，另一个处于截止状态，反之亦然，这样电流就可以在正负两个方向上流过，达到双向整流的效果。双向整流二极管广泛应用于可逆直流电机、变换器、逆变器等领域。与单向整流二极管相比，双向整流二极管具有更好的效率、更快的响应速度和更广泛的应用场景。但由于需要两个二极管组合，难以突破大规模集成化的尺寸缩小。因此，研究单个异质结的双向整流特性将为减小集成电路的尺寸拓宽道路。近日，华北电力大学团簇和低维纳米材料研究所团队与清华大学田禾副教授报道的Bi₂O₂Se/WSe₂异质结具有II型能带特性，可以通过界面势垒极大地抑制通道电流，使Bi₂O₂Se/WSe₂异质结器件具有约10⁵的大整流比。同时，在不同的栅极电压调制下，器件的电流开/关比变化近5个数量级，最大电流开/关比有望达到10⁶。光电流测量揭示了复合和空间电荷约束的行为，进一步验证了异质结的双向整流行为。此外，该异质结器件在可见光到近红外区域具有良好的光谱响应，响应时间低至微秒量级。在未来，Bi₂O₂Se/WSe₂异质结场效应晶体管作为一种双向控制开关器件，在减小集成电路体积方面具有很大的潜力。该文章以题为“Bidirectional rectifier with gate voltage control based on Bi₂O₂Se/WSe₂ heterojunction”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. Bi₂O₂Se / WSe₂异质结原子结构示意图。

图2. (a) (b) 栅极电压为40 V和80 V时的输出曲线，并插入对数坐标; (c) (d) 不同偏置电压V_ds下的转移曲线对数图; (e) (f) 不同栅极电压V_g下的输出曲线对数坐标图。

图3. Bi₂O₂Se / WSe₂异质结场效应晶体管的光电流图。(a) Bi₂O₂Se / WSe₂异质结光学图像，白框为扫描区域; (b) V_ds = 0 V, V_g = 0 V; (c) V_ds = 3 V, V_g = 40 V; (d) V_g = -3 V, V_ds = 40 V; (e) V_ds = 3 V, V_g = -40 V; (f) V_ds = -3 V, V_g = -40 V。

文章信息：

Bidirectional rectifier with gate voltage control based on Bi₂O₂Se/WSe₂ heterojunction

Ruonan Li, Fangchao Lu, Jiajun Deng, Xingqiu Fu, Wenjie Wang, He Tian

J. Semicond.  2024, 45(1): 012701  

doi: 10.1088/1674-4926/45/1/012701

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