短通讯

1 脉冲模式下输出功率超15 W的氮化镓蓝光激光器

氮化镓（GaN）蓝光激光二极管（LD）在高密度数据存储、激光显示、照明与量子技术等领域具有重要应用。但目前，其输出功率与GaAs基LD仍有差距，进一步提升功率密度与可靠性对于降低成本至关重要。在GaN材料体系中，外延晶体质量是决定LD性能的关键因素，晶体中的位错和非辐射复合中心会严重影响器件的效率和可靠性。此外，高功率LD面临的另一个挑战是腔面处的灾变性光学损伤（COD），腔面介质膜材料与GaN晶面之间的界面质量是影响COD阈值的关键因素。

近日，清华大学罗毅院士课题组与安徽格恩半导体有限公司合作，通过深入研究GaN同质外延过程中的位错控制、InGan/GaN多量子阱的应力调控以及腔面镀膜技术，制备了高效的GaN蓝光激光二极管。他们在该工作中利用了氢化物气相外延（HVPE），结合多次掩膜技术和3D-2D交替生长技术，将GaN衬底的位错密度降低了60%。通过集成InGaN/GaN超晶格（SL）波导结构，进一步减轻了量子阱有源区的应力，使光致发光（PL）强度提升了约60%。此外，该团队还采用电子回旋共振（ECR）技术提升了腔面镀膜质量，显著降低了高反（HR）和抗反（AR）膜表面的粗糙度，改善了大电流注入下的COD问题。最终，该研究实现了波长447 nm的脉冲激光发射，最大输出功率达到15 W，电光转化效率（WPE）为38%。这些成果为研制国产高性能GaN激光器、探索GaN大功率激光器的新应用奠定了坚实基础。

该文章以题为“Gallium nitride blue laser diodes with pulsed current operation exceeding 15W in optical output power”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. GaN单晶生长路径示意图。

图2. （a）LD的功率-电流-电压（PIV）以及WPE特性；（b）LD的光谱，插图是GaN激光器在发光时的图像。 

文章信息：

Gallium nitride blue laser diodes with pulsed current operation exceeding 15 W in optical output power

Shuiqing Li, Qiangqiang Guo, Heqing Deng, Zhibai Zhong, Jinjian Zheng, LiXun Yang, Jiangyong Zhang, Changzheng Sun, Zhibiao Hao, Bing Xiong, Yanjun Han, Jian Wang, Hongtao Li, Lin Gan, Lai Wang, Yi Luo

J. Semicond.  2024, 45(11): 110501  doi: 10.1088/1674-4926/24080031

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综述

2 功率超结器件最新研究进展

电子科技大学陈星弼院士发明的超结结构，被誉为 “功率MOS的里程碑”，陈先生由此获得IEEE ISPSD授予的“国际功率半导体先驱奖”。1998年，德国西门子集团半导体事业部（现德国英飞凌公司）推出了首款超结功率MOS产品，拉开了超结技术大规模商用的序幕。基于平衡电荷场调制机制，超结器件打破了传统功率MOS器件漂移区掺杂浓度和击穿电压V_B之间的强依赖关系，使得比导通电阻R_on,sp和耐压V_B之间的基本矛盾关系从传统的R_on,sp∝V_B^2.5降低至R_on,sp∝V_B^1.32乃至R_on,sp∝V_B^1.03的“准线性”关系。

近日，电子科技大学功率集成技术实验室张波教授团队结合其20余年超结研究成果、国内外超结理论和技术发展，综述了超结功率半导体器件的最新研究进展。超结基础理论如图1（a）所示，通过雪崩击穿路径AOB上的电场解析及其碰撞电离率路径积分，获得击穿状态下的电场分布。在给定W和V_B下，发现如图1（b）所示的超结器件的R-well曲线，提出非全耗尽（Non-full Depletion，NFD）耐压新模式，采用全域寻优算法，获得唯一R_on,min，新模式下R_on,sp和V_B矛盾关系降低至R_on,sp∝V_B^1.03关系。论文还探讨了纳米超结的隧穿、禁带宽度变窄、JFET、载流子非完全电离等特殊物理效应的影响。R_on,min理论具有普适性，已被推广至三维超结和宽禁带半导体材料。

超结作为一种耐压层结构，被广泛应用于分立与集成功率半导体器件，文章从工艺技术、新结构等方面介绍了超结技术的最新发展。图2总结对比了目前报道的最新超结器件性能。超结技术已在硅基分立及集成领域实现规模量产，并已推广应用于宽禁带半导体材料如SiC、GaN和Ga₂O₃等领域，其设计理念拓展出MIS耦合电荷自平衡匀场（Homogenization field，HOF）耐压层和极化电荷平衡高K耐压层等新结构，形成系列新型功率半导体器件。

图1.（a）超结器件结构与击穿路径上电场分布，（b）超结器件R-well模型与R_on,min。

图2. 典型超结器件性能对比。

该文章以“Recent developments in superjunction power devices”为题，发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Recent developments in superjunction power devices

Chao Ma, Weizhong Chen, Teng Liu, Wentong Zhang, Bo Zhang

J. Semicond.  2024, 45(11): 111301  doi: 10.1088/1674-4926/24050003

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3 硫族钙钛矿——挑战、现状及未来前景

在过去二十年里，钙钛矿因其极高的吸收系数、以及极高的电子和空穴迁移率而在光伏研究领域占据主导地位。然而，大多数已报道的太阳能电池都是由有机钙钛矿构成的，它们效率极高，但却极不稳定。BaZrS₃、CaZrS₃等无机硫族钙钛矿因其高稳定性和高迁移率而有望成为有机钙钛矿理想的替代品。但到目前为止，还没有利用这些材料成功制造出稳定的光伏器件。本文讨论了制备此类钙钛矿所面临的挑战及对BaZrS₃的形成至关重要的基本热力学问题。此外，本文还对BaZrS₃光伏器件领域的现有文献进行了回顾，并明确了领域未来的研究方向。

该文章以题为“Chalcogenide perovskites—challenges, status, and future prospects”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 硫族钙钛矿可能的单位细胞结构。

文章信息：

Chalcogenide perovskites—challenges, status, and future prospects

Pidugu Kesavan Kannan, Mariappan Anandkumar, Gopal Bhavani

J. Semicond.  2024, 45(11): 111801  doi: 10.1088/1674-4926/24050029

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研究论文

4 半导体掺杂元素和掺杂位点的选择定律

半导体材料在各个领域有着广泛的应用，其内部电子基本占满了价带，而在一定能量之上的导带则是未占据的空态。通常会通过掺杂不同的元素调控半导体性质，比如n型掺杂引入更多的电子，电子会从杂质态上跃迁到导带，从而使材料具有一定的导电性。而从杂质态到导带的能量差被称为转变能级。同理，p型掺杂下有电子从价带跃迁到杂质态，价带形成空穴导电。显然转变能级越浅电子越容易跃迁，材料的导电性等性质也能得到了更大程度的增强。而有了两种基本型的半导体，就可以组合形成半导体器件如太阳能电池、发光二极管和晶体管等。因此如何能够高效地掺入可离化的浅能级杂质具有显著的现实意义，而其中的关键在于选取合适的掺杂元素和确定容易形成的掺杂位点。

近日，宁波东方理工大学魏苏淮教授课题组以AlN材料掺杂为例阐述了如何为半导体选取合适的掺杂元素和掺杂位点。其基本指导思想是要产生浅能级，杂质的电子态要尽可能与带边态相似，这样就可以尽量减少对带边的扰动。例如对n型掺杂，因为在离子型的AlN中导带主要是由N原子轨道组成，杂质应替代Al从而减少对导带的扰动。综合考虑原子尺寸和电负性差异，他们在Al近邻的Mg和Si，N近邻的C和O这些元素之间选择了Si替代Al作为最理想的n型掺杂施主缺陷。同理，AlN的价带主要是由N原子轨道组成，选择Mg替代Al能减少对价带的扰动，形成浅的受主缺陷能级。他们进一步采用第一性原理计算验证了这些推测，替代Al的缺陷确实能形成更浅的施主和受主缺陷能级。而计算得到的缺陷电荷密度图则直观地展示了替代Al的缺陷电子态更非局域化，相比之下替代N的缺陷更局域化，从而缺陷能级更深。

该工作基于基体材料能带结构和组分分析，合理选择掺杂元素和掺杂位点降低对基体能带结构的扰动，从而实现浅的缺陷能级和有效的掺杂。这种方法具有普适性，能够推广到其他半导体为寻找浅能级缺陷掺杂方法提供可靠预测。

该文章以“Selection of dopants and doping sites in semiconductors: the case of AlN”为题发表在Journal of Semiconductors上。

图1. （a）p型和（b）n型掺杂下不同缺陷的形成能随费米能级的变化。

图2. C_N^-，（b）Mg_Al^-，（c）O_N，和（d）Si_Al缺陷态的电荷分布图。青色和灰色小球分别代表Al和N，而掺杂元素用其他颜色，电荷密度图用黄色轮廓表示。

文章信息：

Selection of dopants and doping sites in semiconductors: the case of AlN

Yi-Feng Zheng, Xuefen Cai, Su-Huai Wei

J. Semicond.  2024, 45(11): 112101  doi: 10.1088/1674-4926/24050032

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5 利用SIMS技术观测Pb_1-xSn_xTe带隙交叉的新方法

Pb_1–xSn_xTe是一种拓扑晶体绝缘体，本文开创性地将二次离子质谱（SIMS）应用于估测Pb_1–xSn_xTe的电子特性。这一方法标志着SIMS技术在此类估测中的首次应用，并重点研究了电离概率的变化和二次离子能量分布的变化。电离概率受材料功函数和电子亲和能等关键参数的影响，这些参数的推导取决于Pb_1–xSn_xTe化合物中不同带隙位置相对于真空能级的位置，这会随x值的不同而变化。研究结果阐明了SIMS信号的显著变化，尤其是在带隙关闭临界点附近。

该文章以题为“A novel approach for observing band gap crossings using the SIMS technique in Pb_1–xSn_xTe”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. SIMS信号作为样品电位的函数对应于正（a）和负（b）Sn和Te二次离子的能量。

文章信息：

A novel approach for observing band gap crossings using the SIMS technique in Pb_1-xSn_xTe

Zeinab Khosravizadeh, Piotr Dziawa, Sania Dad, Andrzej Dabrowski, Rafał Jakiela

J. Semicond.  2024, 45(11): 112102  doi: 10.1088/1674-4926/24040023

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6 基于环形CMUT阵列水听器的设计与表征

水下声学传感器（如水听器）在海洋生物学、声呐导航、地震监测等领域有着重要应用，传统上多采用压电材料转换声波为电信号。然而，压电水听器存在体积大、制造成本高、环境适应性差等问题。随着微机电系统（MEMS）技术的发展，基于电容微机械超声换能器（CMUT）的水听器技术成为研究热点。CMUT技术通过电容式传感原理，将声波引发的薄膜振动转换为电信号，具有较高的灵敏度、宽带宽和较小体积，在改善信号质量和降低噪声方面具有显著优势。然而，目前CMUT水听器的稳定性和灵敏度在复杂的水下环境中仍需进一步提升。

由中北大学动态测量技术重点实验室的贾利成带领的科研团队设计并表征了一种高性能的环形CMUT阵列，专为水听器应用而开发。该研究通过牺牲层释放工艺制作的矩形单元CMUT阵列，实现在40 dB增益下接收灵敏度达-231.44 dB（1 V/μPa），并在0-60 °C的温度范围内，灵敏度变化仅为0.87 dB。此外，1 kHz频率下的输出电压非线性仅为0.44%。相较于市售水听器，该阵列在带宽、灵敏度和非线性方面均表现出显著优越性。

创新点：（1）采用创新的多环嵌套结构，显著提高了CMUT阵列的接收性能与温度稳定性。（2）基于牺牲层释放工艺，阵列尺寸小巧（1.5 mm × 1.5 mm），更适合便携式水听器设备的集成应用。

该CMUT阵列的高灵敏度、低温度漂移和良好非线性特性，为水下成像和探测技术提供了新的方向。在海洋生物学中，该技术可用于精确捕捉海洋哺乳动物的声音，助力研究其行为和交流模式；在海底地震监测中，可应用于探测细微地震活动，为地震风险评估提供支持。此外，随着该技术的进一步优化，未来可推广至便携式水听器设备，扩展其在水下导航、探测和通信等领域的应用。

该文章以题为“Design and characterization of a multi-ring nested CMUT array for hydrophone”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 使用牺牲释放工艺制造的CMUT示意图 。

图2. CMUT晶片。

文章信息：

Design and characterization of a multi-ring nested CMUT array for hydrophone

Licheng Jia, Rihui Xue, Fansheng Meng

J. Semicond.  2024, 45(11): 112301  doi: 10.1088/1674-4926/24060007

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7 欧姆预退火处理实现氮化镓基增强型p沟道MOSFET性能提升

面对当下电子系统在高温高压环境应用需求的增长，氮化镓（GaN）器件具有的高温和高压耐受性展现出极大的应用潜力。然而，GaN基p沟道场效应晶体管（PFET）性能的不足严重限制了GaN基互补逻辑器件的发展，迫使GaN基集成电路中往往采用Si基器件组成的驱动电路，这使得GaN器件的优势无法被完全发挥。由于GaN材料中p型掺杂效率较低且存在较高密度的表面态，p-GaN上难以实现良好的欧姆接触特性，这也成为了限制GaN基PFET的关键因素之一，并得到了广泛关注。近年来，研究人员提出了p-InGaN帽层、表面预处理、Mg扩散等多种方法降低p-GaN上的欧姆接触电阻，并实现了GaN基PFET器件性能的提升。即使如此，对于实现高性能GaN基PFET器件而言，p-GaN的欧姆接触特性依然有着很大的优化空间。

近期，西安电子科技大学郝跃院士团队的张涛副教授等提出了欧姆预退火处理技术降低了p-GaN表面势垒，实现了p-GaN欧姆接触特性的大幅度提升。研究结果表明，在p-GaN上淀积欧姆金属前，通过在500 ℃氮气气氛中对表面进行一定时间的预退火处理能够显著降低p型欧姆接触势垒，提升欧姆接触特性。p型GaN欧姆接触电阻从未处理样品的38 Ω·mm降低至22 Ω·mm，实现了42%的降低。X射线光电子能谱对表面元素的分析结果表明，欧姆预退火技术能够显著降低p-GaN表面Ga-O键的比例，抬升价带极大值，从而实现欧姆特性的改善。基于此技术所制备的GaN基p沟道MOSFET实现了输出电流密度的大幅度提升以及导通电阻的显著下降。

欧姆预退火处理技术是一种提升p型欧姆接触特性有效且便捷的方法，且能够方便地结合其他表面处理技术实现p型欧姆接触特性的进一步改善，为实现GaN基PFET器件性能提升以及促进其集成电路的发展起到了积极的作用。

该文章以题为“Investigation of performance-enhanced GaN-based E-mode p-channel MOSFET with pre-ohmic-annealing treatment”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. 欧姆预退火处理样品的（a）3 µm间距TLM导通电流，（b）接触电阻，（c）方块电阻和（d）肖特基势垒。

图2. （a）Ga 2p的XPS谱及其分峰拟合曲线，（b）N 1s的XPS谱，（c）价带极大值的XPS谱以及（d）三个样品的表面价带极大值分布示意图。

文章信息：

Investigation of performance-enhanced GaN-based E-mode p-channel MOSFET with pre-ohmic-annealing treatment

Huake Su, Tao Zhang, Shengrui Xu, Hongchang Tao, Yibo Wang, Yuan Gao, Yue Hao, Jincheng Zhang

J. Semicond.  2024, 45(11): 112501  doi: 10.1088/1674-4926/24050015

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8 自对准 p 沟道氮化镓基背栅注入型晶体管

氮化镓异质结界面处具有高密度和高迁移率的极化诱导二维电子气体，使其满足智能电源转换系统和电动汽车在能量效率和功率密度方面日益增长的需求。在驱动和控制电路中使用基于氮化镓的互补逻辑电路可以进一步体现氮化镓功率器件的优势。利用同样是由极化诱导产生的二维空穴气开发的高性能增强型氮化镓p沟道器件，可以实现氮化镓中的互补逻辑电路，有希望取代常用的氮化镓直接耦合晶体管逻辑（DCFL），从而实现近乎为零的静态功耗。然而，其中起关键作用的p沟道氮化镓晶体管的发展仍然滞后，器件主要面临着阈值稳定性、电流密度等挑战。

近日，中国科学院微电子研究所黄森/蒋其梦教授课题组基于Si 衬底上生长的p-GaN/Al(Ga)N/GaN 异质结构，制备了背面栅极结构的自对准氮化镓p沟道背栅注入型晶体管（SA-BGIT）。创新地利用异质结构中二维空穴气下方类金属特性的二维电子气作为器件的栅极，提出了控制二维空穴气沟道的新型结构，自对准结构的器件通过消除接入区电阻提供了一种提高器件性能的可行方法。其中栅极长度为1 μm 的SA-BGITs实现了9.9 mA/mm 的峰值漏极电流（I_{D, MAX}）；器件有极小（0.2 V）的阈值回滞、10⁷的高开关比和较低的导通电阻（548 Ω·mm）。此外，背面栅极结构在高电压下不会面临正面栅极介质层击穿等问题，SA-BGITs表现出173 mV/dec 的阈值摆幅（SS），进一步突出了它们集成到GaN 逻辑电路中的适用性。

该文章作为封面文章，以题为 “ First demonstration of a self-Aligned p-channel GaN BackGate injection transistor ” 发表在Journal of Semiconductors 上。

图1. 以二维电子气为栅极的自对准p沟道GaN背栅注入晶体管的原理图。

图2. 器件的转移特性曲线（L_G = 3 μm）和输出特性曲线。

文章信息：

First demonstration of a self-aligned p-channel GaN back gate injection transistor

Yingjie Wang, Sen Huang, Qimeng Jiang, Jiaolong Liu, Xinhua Wang, Wen Liu, Liu Wang, Jingyuan Shi, Jie Fan, Xinguo Gao, Haibo Yin, Ke Wei, Xinyu Liu

J. Semicond.  2024, 45(11): 112502  doi: 10.1088/1674-4926/24050027

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9 基于碳化硅的光电化学水分解及其抗辐照特性研究

4H碳化硅（4H-SiC）具有宽禁带、高击穿场强、高电子迁移率、高热导率和高化学稳定性等优异特性，在电力电子、射频微波等领域得到了广泛的应用。得益于4H-SiC的高电子迁移率和高化学稳定性，其在光电化学（PEC）水分解制氢领域亦具有广阔应用前景。

近日，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利用两步阳极氧化法制备了孔隙率、孔深度可调的4H-SiC纳米孔阵列结构，将其应用于光电化学水分解领域，并展示了其抗辐照特性。研究结果表明，在恒定电压和脉冲电压的两步阳极氧化法刻蚀过程中，改变恒定电压阳极氧化的时间可调控4H-SiC纳米孔阵列的孔隙率，改变脉冲电压阳极氧化的时间可调控4H-SiC纳米孔阵列的深度。在本工作中，两步阳极氧化法制备的4H-SiC纳米孔阵列的孔径为10~50 nm，纳米多孔阵列平行排列、高度定向且深度达到10 μm以上，具有较高的长径比。纳米多孔阵列显著提高了光阳极的光利用率、减少了光反射率，并提高了4H-SiC与电解液的接触面积，中等孔隙率的光阳极在1.5 VRHE获得了最高的光电流密度（2.94 mA/cm^-2），是4H-SiC衬底片光电流密度（1.25 mA/cm^-2）的2.4倍。经过剂量为800 kGy的电子辐照后，4H-SiC纳米孔阵列的线性扫描伏安曲线基本不变。只有当电子辐照的剂量超过1600 kGy时，4H-SiC纳米孔阵列的光电流密度整体降低，这是由于4H-SiC纳米孔阵列中的辐照诱导缺陷会捕获光生载流子，降低了光生载流子的寿命。这表明4H-SiC在极端环境的水分解中具有重要应用潜力。

该文章以题为“Demonstration of irradiation-resistant 4H-SiC based photoelectrochemical water splitting”发表在Journal of Semiconductors上。

图1. （a）原始4H-SiC衬底，和（b）-（f）不同两步阳极氧化法刻蚀工艺得到的4H-SiC样品表面的扫描电子显微镜（SEM）图像。（g）和（h）是（d）图所示样品的截面SEM图。

图2. 不同孔隙率的4H-SiC纳米多孔阵列的（a）线性扫描伏安曲线和（b）电化学阻抗谱测试曲线，（c）为具有最佳光电催化特性的4H-SiC样品（S10）的瞬态光电流曲线。（d）-（f）为空间电荷区与4H-SiC纳米多孔阵列的孔壁厚度关系的示意图。

文章信息：

Demonstration of irradiation-resistant 4H-SiC based photoelectrochemical water splitting

Yan Pei, Wenhao Geng, Lingbo Xu, Can Cui, Xiaodong Pi, Deren Yang, Rong Wang

J. Semicond.  2024, 45(11): 112503  doi: 10.1088/1674-4926/24050011

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10 具有效光导性的氧化锌介晶/还原氧化石墨烯纳米复合超结构

金属氧化物介晶是由金属氧化物纳米粒子构建单元排列而成的有序的超结构，具有潜在可调的光学、电子和电学特性，在实际应用中十分适用。在此，我们报道了一种合成氧化锌纳米棒（ZnONRs）介晶的有效方法，并对氧化锌介晶的晶体结构、表面形貌和内部结构进行了全面表征。我们采用水热法合成了氧化锌纳米棒介晶/还原氧化石墨烯（ZnONRs/rGO）纳米复合超结构，并对其晶体结构、表面形貌、化学成分和内部结构进行了全面表征。此外，我们研究了ZnONRs/rGO纳米复合超结构的光吸收系数、带隙能量、能带结构和电导率，以了解其光电特性和电学特性。为了探索这种纳米复合超结构在紫外（UV）光探测应用中的潜力，我们对ZnONRs/rGO纳米复合超结构的光导率进行了深入研究。最终，我们得出结论：ZnONRs/rGO纳米复合超结构展现出很高的紫外响应灵敏度，适合应用于紫外探测器。

图1. 合成过程示意图。

该文章以题为“Nanocomposite superstructure of zinc oxide mesocrystal/reduced graphene oxide with effective photoconductivity”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Nanocomposite superstructure of zinc oxide mesocrystal/reduced graphene oxide with effective photoconductivity

Ahmad A. Ahmad, Qais M. Al-Bataineh, Ahmad B. Migdadi

J. Semicond.  2024, 45(11): 112701  doi: 10.1088/1674-4926/24060019

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11 三端Cs₂AgBiBr₆器件的电荷输运特性和可变光开关特性

在本研究中，我们深入探讨了一种新型双钙钛矿基三端器件中的电荷输运现象和可变光开关特性。我们采用三步热蒸发工艺合成Cs₂AgBiBr₆薄膜（TF），随后进行了精确的开放式退火处理，确保薄膜质量优异，这一点已通过结构和形态表征得到证实。光致发光光谱显示，在2.28  eV和2.07 eV处有清晰的发射峰，表明存在直接和间接电子跃迁。器件在偏执电压大于0.35 V时表现出空间电荷受限电流（SCLC）行为，与的关系一致，其中指数m从≤1过渡到>1。考虑到温度和光功率的变化，我们对陷阱填充极限（TFL）机制下的肖特基参数进行了详细分析。值得注意的是，该自供电光探测器在光照条件下表现出卓越的性能。通过调节第三端的偏置电压，可以精细地调节器件的灵敏度。特别地，当偏置电压为±100 μV的最佳值时，器件的响应度（R）达到最大值0.48 A/W, 探测率（D*）高达1.07 × 10⁹ Jones，凸显了这种双钙钛矿基器件在先进光电子应用领域的潜力。

图1. 基于三端器件的Cs₂AgBiBr₆ TF沉积工艺流程。

该文章以题为“Charge transport properties and variable photo-switching of three-terminal Cs₂AgBiBr₆ device”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Charge transport properties and variable photo-switching of three-terminal Cs₂AgBiBr₆ device

Iman Biswas, Arka Dey, Jean Michel Nunzi, Nilanjan Halder, Aniruddha Mondal

J. Semicond.  2024, 45(11): 112801  doi: 10.1088/1674-4926/24060032

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