博文
半导体学报2024年第12期——中文导读
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1 半导体所在PZT光电子材料与器件领域取得重大突破
数据中心、人工智能和云计算等技术的飞速发展导致全球流量需求激增，对高速信息网络的构建提出了前所未有的挑战，包括但不限于高数据传输速率、低功耗和高集成度等性能需求，进而推动了高性能光电子材料与器件的创新研发。薄膜锆钛酸铅（Pb(ZrTi)O3, PZT）铁电材料因其高透明度、优越的化学/热稳定性和高电光系数优势而广受关注，Pockels系数值大于100 pm/V，超过薄膜铌酸锂3倍，有望同时实现低能耗、高速率、高度集成的片上电光调制，突破传统材料体系在带宽和能效上的设计瓶颈；此外，PZT材料成膜工艺简单（化学液相沉积或磁控溅射等），可以在氧化硅上完成大尺寸、高质量晶体薄膜沉积生长，CMOS兼容性强，有利于促进低成本、大规模生产使用，将是下一代新型光电材料的重要选择。
中国科学院半导体研究所李明研究员和国科大杭州高等研究院邱枫研究员合作率先针对晶圆级锆钛酸铅薄膜材料制备和加工展开攻关，利用液相沉积+磁控溅射组合工艺实现了4英寸晶圆薄膜的低成本大规模制备（图1），并成功研制出首个公开报道的新型锆钛酸铅光子集成平台和工艺开发套件PDK库（图2和表1），实现了从材料生长到器件设计与制备的全流程自主可控研发，突破了传统光学材料在制造高速电光调制器时面临的调制带宽和能效制约瓶颈。
图1. 4英寸PZT 晶圆（左）和光子集成工艺平台（右）。
图2. PZT 光子器件的高分辨率SEM图像。表 1. PZT 器件性能汇总。
经测试，制备的马赫-曾德尔电光调制器高频调制带宽大于70 GHz，调制效率1.3 V·cm；微环调制器调制带宽大于50 GHz，调制效率0.56 V·cm（图3）。与硅和薄膜铌酸锂等传统光学材料相比，在保留高调制带宽同时实现了调制效率的大幅提升。如表1所示，首版PDK器件库还包括多模干涉器、光栅耦合器、交叉器等，通过模型设计和工艺优化迭代，整体器件性能和器件库完备性还具备巨大的提升空间。该研究成果将助力我国下一代新型光学材料平台及工艺技术的国产化研发和产业化应用，为光通信和光计算等信息光子技术发展提供重要的材料平台支撑（图4），打破国际垄断、实现先进光芯片技术自主可控。
图3. PZT 电光调制器性能指标。（a）和（b）是马赫-曾德尔电光调制器结构和调制特性；（c）和（d）是微环电光调制器结构和调制特性。
图4. PZT平台技术和功能芯片的未来展望。
该工作以"PZT photonic materials and devices platform"和"Broadband PZT electro-optic modulator"为题目，在Journal of Semiconductors第12期及2025年第3期发表两篇短篇通讯论文，快速报导了成果与进展。
本工作得到国家自然科学基金“国家杰出青年科学基金项目（61925505）”、“国自然青年基金项目（62405070）”，以及浙江省尖兵领雁项目（2024C01112）、国家重点研发计划（2023YFB2807100）资助。
文章信息：
PZT photonic materials and devices platformYujun Xie, Peng Wang, Hongyan Yu, Chengyang Zhong, Jie Peng, Jungan Wang, Chen Yang, Yu Han, Ang Li, Zehao Guan, Feng Qiu, Ming LiJ. Semicond. 2024, 45(12): 120501 doi: 10.1088/1674-4926/24110020Full Text
综述
2 触觉传感器在法向力与剪切力检测、解耦及应用方面的进展和未来展望
近年来，随着人工智能与柔性电子技术的快速发展，仿生触觉传感器逐渐成为智能机器人、可穿戴设备和电子皮肤研究的热点。这些传感器通过模拟人类皮肤的触觉感知能力，能够精准检测法向力和剪切力，为人机交互和环境感知提供了技术基础。然而，目前的触觉传感器技术仍然面临多模态检测能力不足、信号解耦复杂以及制造成本高等难题，限制了其在实际场景中的广泛应用。如何突破这些技术瓶颈，成为推动触觉科技发展的重要课题。
针对这一问题，南京大学电子科学与工程学院潘力佳教授团队联合多位科研人员，发表了一篇综述论文。该论文系统总结了近年来触觉传感器领域的重要研究进展，全面分析了现有技术的优势与不足，并展望了未来的发展方向，为触觉传感器的研究提供了全景式指导。
图1. 具有不同结构、传感机制、材料和应用的柔性正常和剪切触觉传感器。
研究团队从结构设计、传感机制和材料选择等方面梳理了当前的核心技术进展。在结构设计上，论文总结了三种创新策略：多单元结构通过网格化排列的传感单元，实现了多方向力的精准检测；多层封装结构采用分层设计，不同功能层级分别负责捕捉法向力和剪切力信号，从而实现信号的高效解耦；仿生结构则模仿人类皮肤中的感受器分布（如梅克尔细胞和鲁菲尼小体），显著提升了传感器的灵敏度和适应性。在传感机制方面，团队对压阻、压容、自供电等多种感知原理进行了对比，分析了不同机制的适用场景与局限性；在材料选择上，包括碳纳米管、石墨烯以及弹性硅胶在内的多种先进材料，展现了提升传感器性能的巨大潜力，为未来研究提供了丰富的设计选择。
研究还总结了触觉传感器在多个领域的初步应用，例如健康监测设备能够实现心率、血压等生理信号的精准感知，智能机器人通过触觉反馈提升机械臂的操作精度，而智能假肢和可穿戴设备则赋予使用者更加自然的交互体验。这些案例不仅展现了触觉传感器的技术价值，也为其未来发展提供了明确方向。
该论文不仅回顾了当前的研究进展，还对未来的发展进行了深刻展望。研究团队认为，未来的触觉传感器研究需要在提升多模态检测能力的同时，优化结构设计和材料选择，实现高灵敏度、宽检测范围和低制造成本的统一。同时，随着人工智能技术的不断进步，触觉传感器与智能算法的结合将进一步推动实时信号处理与应用的智能化。此外，面对复杂多变的实际应用场景，设计更加耐用、稳定的传感设备，将是推动触觉科技普及化的重要方向。
通过这篇综述论文，潘力佳教授团队为触觉传感器领域提供了系统性的理论指导和研究思路。这项工作不仅帮助科研人员全面了解该领域的发展现状，还为学术界和产业界搭建了沟通的桥梁，为未来触觉科技的创新应用注入了新的活力。
该文章以题为“Recent advances and future prospects in tactile sensors for normal and shear force detection, decoupling, and applications”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Recent advances and future prospects in tactile sensors for normal and shear force detection, decoupling, and applications
Jinrong Huang, Yuchen Guo, Yongchang Jiang, Feiyu Wang, Lijia Pan, Yi Shi
J. Semicond. 2024, 45(12): 121601 doi: 10.1088/1674-4926/24080006
3 半导体基直流摩擦纳米发电机及其应用
摩擦纳米发电机 (TENG) 能有效地将环境中的机械能转化为电能，具有输出功率高、成本低、材料选择丰富、体积小等优点，广泛应用于能源、环境和生物医学等领域。然而，传统的摩擦纳米发电机(TENG)是依赖于两种不同材料之间的相互作用来产生交流电 (AC)，其高阻抗和有限表面电荷密度导致低输出电流密度。此外，交流电需通过整流电路转换为直流电（DC）使用，严重阻碍了其商业化应用。基于摩擦伏特效应的半导体基摩擦电纳米发电机 (SDC-TENG) 可直接产生直流电，且电流密度和能量转换效率高，在半导体器件和自供电系统中有很大的应用潜力。近年来，各种类型的SDC-TENG不断涌现，取得了巨大的进步。
近日，闽江学院陈华民副教授课题组总结了 SDC-TENG的最新进展和突破，对直流能量收集技术和半导体系统具有重大前景。首先，阐明了摩擦伏特效应，并根据不同的材料和结构将 SDC-TENG 分为六种类型。然后，详细介绍了每种类型的工作原理、优势和局限性。此外，本文概述了 SDC-TENG 的性能增强机制，为性能改进提供了指导和建议。结论部分重点介绍了各种类型 SDC-TENG 的潜在应用场景，概述了其前景和挑战。SDC-TENG 技术有望推动半导体器件和自供电系统领域的革命性发展。
图1. 传统TENG的四种工作模式和SDC-TENG的六种工作模式。
该 文 章 以 题为“Semiconductor-based direct current triboelectric nanogenerators and its application”发 表 在 Journal of Semiconductors 上。
文章信息：
Semiconductor-based direct current triboelectric nanogenerators and its application
Xin Shi, Weiguo Wang, Jun Wang, Jian Li, Huamin Chen
J. Semicond. 2024, 45(12): 121701 doi: 10.1088/1674-4926/24080021
研究论文
4 通过闪灯退火提升低温PET基质上铝掺杂氧化锌薄膜的结构、光学和电学性能
本研究中，通过直流磁控溅射技术在低温聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）基底上沉积铝掺杂氧化锌（AZO）薄膜。沉积参数包括100−300 W的功率， 15 mTorr的工作气压，以及50 °C的基底温度。沉积后，采用闪光退火（FLA）作为快速热处理方法，脉冲持续时间为1.7 ms，能量密度为7 J·cm−2，旨在提高薄膜质量的同时保护对温度敏感的PET基底。与传统退火相比，FLA具有处理时间更短和更有效地改善材料性能等优势。利用X射线衍射、结合场发射扫描电子显微镜的能量散射X射线光谱、紫外−可见光谱以及霍尔效应测量等方法对AZO薄膜的结构、光学和电学性能进行了评估。结果表明，AZO薄膜的性能随沉积和退火条件的不同而变化。在200 W功率下沉积，并经过FLA处理的薄膜表现出优异的结晶性，平均可见光透过率超过80%，电阻率低至0.38 Ω·cm，透光率提高了95%。电学分析表明，载流子浓度、迁移率和电阻率均受溅射和退火参数的影响。这些发现有力证明了FLA在优化AZO薄膜性能方面的有效性，凸显了其在光电子领域的应用潜力。
图1. PET衬底上AZO的薄膜生长和闪光灯退火示意图。
该文章以题为"Advancing Al-doped ZnO thin films structural, optical and electrical properties of low temperature PET substrates via flash lamp annealing"发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Advancing Al-doped ZnO thin films structural, optical and electrical properties of low temperature PET substrates via flash lamp annealing
Juwon Lee, Chang-Hyeon Jo, Gwangseop Lee, Min-Sung Bae, Slawomir Prucnal, Shengqiang Zhou, Muhammad Zubair Khan, Osama Gohar, Mohsin Saleem, Jung-Hyuk Koh
J. Semicond. 2024, 45(12): 122101 doi: 10.1088/1674-4926/24070005
5 Ge/SiGe异质结的生长、表征与输运计算：未掺杂Ge量子阱的生长策略
量子计算作为科技领域的前沿方向之一，因其在信息处理速度与效率方面的巨大潜力，受到广泛关注。硅基量子点量子比特与兼容传统CMOS工艺且易于扩展，是最有可能实现大规模量子计算系统的固态物理体系。其中，基于应变Ge量子阱的Ge/SiGe二维空穴气异质结构，因其出色的载流子迁移率和量子特性，被认为是实现自旋空穴量子比特的通用方案。然而，不同应变状态下量子阱的结构设计与生长工艺仍然面临诸多挑战，有文献通过改变应变研究其对于迁移率的影响，例如生长0.61%的标准应变22 nm浅结量子阱并提取出5 × 105 cm2∙V−1∙s−1的迁移率，也有文献通过改变量子阱深度研究其对于隧穿概率的影响。但是全面的异质结量子阱体系生长策略尚未出现，输运参数与材料结构的内在联系亟待解决。
近日，合肥国家实验室的王桂磊研究员课题组通过减压化学气相沉积（RP-CVD）技术，优化生长出不同应变的本征异质结Ge量子阱。通过针对性的优化方法获得了低至2.03 nm的表面粗糙度，显著降低了界面散射。最终获得了应变值在-0.43%至-1.19%之间的轻应变、标准应变以及重应变量子阱，并提取出最高7.301 × 105 cm2∙V−1∙s−1的迁移率。研究团队提出了一种结合实验与理论的综合生长策略，包括利用低温磁输运测量和基于第一性原理的模拟计算，揭示了应变、量子阱深度及厚度对渗流密度和迁移率的协同影响，并对异质结量子阱生长提供了有效的指导意见，即如何优化结构膜层的厚度与应变势垒的高度来达到生长所需输运参数量子阱。此外，他们还首次提出基于轻重空穴子带混合运输模型的有效质量变化机制解释，为应变调控量子材料的性能优化提供了理论依据。
该研究为优化硅基量子比特材料的生长和性能设计提供了重要指导，尤其在实现高迁移率、低渗流密度的量子阱生产方案方面具有里程碑意义。
图1. (a) 轻应变量子阱的HRXRD（高分辨X射线衍射）分析。绿色线条显示随着应变增加，量子阱图案位置向左移动（此时绿线位置量子阱应变为-0.43%）。（b）在250 mK条件下，Hall-bar形状的HFET电学与磁输运测量结果。迁移率μ与载流子密度P2DHG的关系。在 (b) 的局部放大中，蓝色曲线对应低载流子密度下迁移率μ与载流子密度p的拟合曲线，红色曲线对应高载流子密度下的拟合曲线。(d) 基于量子阱厚度-量子阱深度相图叠加计算数据构建的渗流密度Pp的等高线图。
该文章以题为"Growth, characterization, and transport calculation of Ge/SiGe heterojunction: strategy for the growth of undoped Ge quantum wells"发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Growth, characterization, and transport calculation of Ge/SiGe heterojunction: strategy for the growth of undoped Ge quantum wells
Yiwen Zhang, Jun Deng, Zonghu Li, Xinyou Liu, Haiou Li, Baochuan Wang, Jun Luo, Zhenzhen Kong, Gang Cao, Guoping Guo, Chao Zhao, Guilei Wang
J. Semicond. 2024, 45(12): 122102 doi: 10.1088/1674-4926/24080034
6 等离子体AgAu双金属纳米颗粒对氮化镓基光电探测器光电流增强的影响
最近，高效紫外（UV）光电探测器因其潜在的实际应用价值而备受关注。本研究将Ag和Au纳米颗粒与GaN薄膜结合使用，制造了一种高质量的UV光电探测器。GaN薄膜采用溅射技术沉积，而Ag和Au薄膜则通过热蒸发技术生长。通过在不同的退火温度下对薄膜进行处理，形成了Ag−Au双金属纳米颗粒，以增强光与光电探测器的光活性层之间的相互作用。实现光电探测器最佳性能的退火温度为650 °C。在此条件下，探测器的响应率达到98.5 A/W，且在1 V的低偏置电压下，开关比达到705。本研究为高性能UV光电探测器的发展奠定了基础。
图1. GaN的 (a) 拉曼光谱和 (b) 透射光谱。
该文章以题为“The impact of plasmonic Ag−Au bimetallic nanoparticles on photocurrent enhancement in GaN-based photodetectors” 发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
The impact of plasmonic Ag−Au bimetallic nanoparticles on photocurrent enhancement in GaN-based photodetectors
Thi Kim Oanh Vu, Thi Thu Phuong Bui, Ngoc Anh Nguyen, Thi Thanh Bao Nguyen, Thi Minh Hien Nguyen, Eun Kyu Kim
J. Semicond. 2024, 45(12): 122301 doi: 10.1088/1674-4926/24090014
7 基于有机异质结的柔性仿生嗅觉神经元
嗅觉是人类最早发育的感官之一，与大脑的认知分析密切相关，模拟嗅觉神经元间的复杂功能对未来构建神经形态计算和仿生感觉系统具有重要意义。然而，目前大多数报道的嗅觉突触设备为两端的阻变器件，很难适应更复杂的电路设计和应用需求。与之相比，三端晶体管突触器件具有并行处理和多态调控的优势，在人造感知神经系统方面具有广阔的应用前景。有机半导体作为一种气敏材料，由于其表面多孔半导体晶粒能吸附空气中的极性分子，通过化学反应进行气体浓度的检测而受到人们的广泛关注。同时，有机材料独特的机械柔韧性使其适用于柔性电子领域。利用不同有机半导体间的异质结构，可以采用调控界面能带的方式延缓载流子浓度的衰减，从而模拟突触权重的变化。
近日，复旦大学陈琳教授课题组采用真空热蒸镀沉积了C8-BTBT/Pentacene有机异质结，并以柔性PI为基底制备了具有嗅觉突触功能的有机异质结晶体管。他们在该工作中系统研究了有机异质结的能带差对氨气吸附及解吸过程的影响。结果表明，C8-BTBT薄膜沉积在粒径尺寸合适的Pentacene上，能显著增强对氨分子的吸附能力。极性氨分子存在的孤对电子会被捕获在半导体界面处，从而导致沟道区域的载流子分布不对称，使器件具有对氨脉冲信号的非易失存储特性。晶体管具有对ppb级NH3的高灵敏度并完成了一系列的嗅觉突触功能。此外，晶体管在5 mm弯曲半径下仍然能保持稳定的电特性和突触特性。
图1. （a）嗅觉神经系统和嗅觉神经元示意图；（b）PPD指数与时间间隔（Δt）的函数关系，附图为NH3脉冲间隔为2 s时器件的IPSC；（c）不同持续时间（d）不同数量（e）不同频率的NH3脉冲下人工神经元的IPSC；（f）分别施加20个连续的+10 V电脉冲和NH3脉冲，器件实现LTP/LTD的突触行为。
有机异质结的引入改善了传统气体传感器对NH3的吸附能力，并实现了有机晶体管对嗅觉神经元的模拟，对未来仿生嗅觉电子器件的设计提供了更多可能性。
该文章以题为“Flexible biomimetic olfactory neurons based on organic heterojunction”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Flexible biomimetic olfactory neurons based on organic heterojunction
Tianyang Feng, Jialin Meng, Hang Xu, Yafen Yang, Tianyu Wang, Hao Zhu, Qingqing Sun, David Wei Zhang, Lin Chen
J. Semicond. 2024, 45(12): 122302 doi: 10.1088/1674-4926/24090003
8 14 nm FinFET栅极形成中的工艺诱导效应及数字单元优化设计研究
随着集成电路进入后摩尔定律时代，针对工艺节点迭代的性能、功耗、面积和成本提出了新的要求。然而，随着晶体管尺寸的不断减小，传统先工艺后设计的串行开发流程已经无法满足生产需求，因此设计-工艺协同优化（DTCO）应运而生，旨在解决先进工艺中出现的难题。在DTCO过程中，建模和仿真发挥着越来越重要的作用，能够加速技术、电路和系统的开发，并减少开发成本，从而缩短产品的上市时间。为了实现这一目标，必须在仿真、晶体管特性和电路仿真之间建立直接联系。最终，还需要评估器件对特定电路和系统的影响，因为这些电路和系统是技术优化的目标。当互补金属氧化物半导体（CMOS）技术发展到鳍式场效应晶体管（FinFET）技术时，器件参数与布局的关系发生了变化。除了晶体管的宽度和长度特性外，布局的其他几何参数及其周围环境也会对器件性能产生影响。因此，版图效应（LDE）成为一个不可忽视的问题，特别是与栅极形成相关的工艺诱导效应，如栅极中心距效应（PPE）和栅极切割效应（CPE）。近日，复旦大学张卫教授课题组为了应对这些问题，完成了基于FinFET器件的DTCO研究，涵盖了栅极形成过程中的工艺诱导效应以及相应的数字单元优化设计。研究以14 nm FinFET技术为例，阐明了晶体管性能对工艺诱导效应的敏感性，特别是PPE和CPE。并基于仿真结果，提出了数字单元设计的优化方案。基于PPE，当栅极中心距从90 nm变化为96 nm时，数字单元反相器的下降延迟减少了0.7%，上升延迟减少了2.1%。基于CPE，具有NMOS中间布局的结构比具有PMOS中间布局的结构速度更快，并且两种布局的面积相同。对于多路选择器，上升延迟减少了4.64%，下降延迟减少了3.56%。
图1. 不同栅极切割距离的示意图。（a）没有栅极切割作为参考。（b）在一倍中心距处栅极切割。（c）在二倍中心距处栅极切割。（d）在三倍中心距处栅极切割。（e）在四倍中心距处栅极切割。
图2. CPE对相邻器件的 Vtsat的影响：(a) N型器件；(b) P型器件。CPE对相邻器件的 Itsat的影响：(c) N型器件；(d) P型器件。
这些优化研究不仅提高了相关工艺和芯片的竞争力，而且对先进技术的研发具有重要的指导意义和参考价值。该文章以题为“Research on process-induced effect in 14-nm FinFET gate formation and digital unit optimization design”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Research on process-induced effect in 14-nm FinFET gate formation and digital unit optimization design
Yafen Yang, Hang Xu, Tianyang Feng, Jianbin Guo, David Wei Zhang
J. Semicond. 2024, 45(12): 122303 doi: 10.1088/1674-4926/24080032
9 热电红外探测器：设计、制造及性能评估
本研究对采用Bi2Te3和硅材料的热电（TE）红外（IR）探测器进行了全面优化和比较分析。通过理论建模和数值模拟，我们探讨了热电材料的特性、器件结构和工作条件对探测器响应率、探测率、噪声等效温差（NETD）和噪声等效功率（NEP）的影响。我们提出了一种优化设计的红外探测器，其响应率和探测率分别接近2 × 105 V/W和6 × 109 cm∙Hz1/2/W。这种性能提升归功于独特的设计特点，包括凸起的集热器和嵌入在聚对二甲苯等低导热有机材料中的长悬空细热电线传感元件。此外，我们还证明了基于Bi2Te3材料的探测器制造工艺与现有MEMS代工工艺具有兼容性，从而提高了器件的可扩展性和可制造性。更重要的是，对于TE红外探测器而言，zT/κ（其中zT是热电优值，κ是热导率）成为了关键参数，这与仅基于zT来选择TE材料的传统方法有很大不同。
图1. 所提出的红外探测单元的示意图。
该文章以题为“Thermoelectric infrared detectors: Design, fabrication, and performance assessment”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Thermoelectric infrared detectors: Design, fabrication, and performance assessment
Daryoosh Vashaee
J. Semicond. 2024, 45(12): 122304 doi: 10.1088/1674-4926/24060011
10 太赫兹量子级联激光器光频梳和双光梳的相位噪声分析
光频梳是由一系列高稳定、等间距频率线组成的宽带相干光源。由于其频率高稳定性和超短光脉冲特性，光频梳已广泛应用于计量学、光谱学、天文学、原子钟和精密测量等领域。双光梳是由光频梳发展而来的新型多外差光谱技术，与传统的傅里叶变换红外光谱和时域光谱相比，双光梳光谱在快速数据采集和高光谱分辨率方面具有优势。太赫兹（terahertz, THz）量子级联激光器（quantum cascade laser, QCL）具有高功率、低远场发散角和宽频率覆盖等优点，是实现1-5 THz光频梳及双光梳的理想辐射源。
然而，QCL内部噪声及外部扰动会破坏光频梳的稳定性，限制了其在精密测量领域的应用。相位噪声作为光频梳与双光梳稳定性的关键指标，对噪声进行测量和分析对于提高光频梳的稳定性至关重要。
近日，中国科学院上海微系统与信息技术研究所黎华研究员团队，在Journal of Semiconductors 上发文，基于THz QCL，对激射频率为4.2 THz的光频梳及双光梳系统的相位噪声特性进行了系统地测量与分析，实验装置如图1所示。本文给出了THz QCL光频梳模间拍频及双光梳信号在不同傅里叶频率下的相位噪声来源。此外，还测量了直流源（用于QCL电驱动）及射频源（用于QCL锁相）产生的相位噪声。
图1. （a）相位噪声测量实验装置。Comb1 和 Comb2 分别表示两个THz QCL光频梳，脊宽为 150 μm，腔长为 6 mm。RF-1 用于将双光梳梳齿下变频至 95 MHz。RF-2 充当锁相环 (PLL) 的本振 (LO) 信号，与下变频双光梳梳齿信号进行比较产生误差信号，反馈到QCL的直流端控制驱动信号，实现锁相。插图是安装在 Y 形样品架上的THz QCL双光梳系统的照片，两个激光端面之间的距离为 34 mm。（b）和（c）分别为 Comb1和Comb2的模式间拍频信号随驱动电流的变化谱图。(d) 光频梳模式间拍频信号频谱图。(e) 双光梳频谱图。
THz QCL光频梳及双光梳系统的相位噪声谱如图2所示，在自由运行模式下，光频梳模间拍频信号的相位噪声始终低于双光梳梳齿的相位噪声。由外部直流源及射频源引起的相位噪声可以忽略不计。采用锁相技术可以显著抑制双光梳信号的相位噪声，如在 100 Hz 的偏移频率下，锁相前后的双光梳梳齿的相位噪声分别为 15.026 和 -64.801 dBc/Hz。
图2. 在自由运行和锁相条件下测量的模间拍频和双光梳梳齿的相位噪声谱。为了进行比较，图中还给出了射频源（RF-1 和 RF-2）在输出功率0 dBm下的相位噪声频谱。
本研究系统研究了THz QCL光频梳和双光梳的相位噪声特性，这将有助于提高频率测量的准确性、推动频率标准的发展以及优化需要稳定相位的THz光子学系统。
该文章作为封面文章，以题为“Experimental study on phase noise of terahertz quantum cascade laser frequency comb and dual-comb sources”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Experimental study on phase noise of terahertz quantum cascade laser frequency comb and dual-comb sources
Lulu Zheng, Xianglong Bi, Xuhong Ma, Guibin Liu, Binbin Liu, Kang Zhou, Hua Li
J. Semicond. 2024, 45(12): 122401 doi: 10.1088/1674-4926/24060028
11 通过有机无机混合墨水工程制备自供电PEDOT:PSS/Sn:α-Ga2O3异质结紫外光电探测器
日盲紫外是指波长范围在200-280 nm之间的紫外光。由于大气层中的臭氧层起到了保护作用，地面通常无法接收到来自太阳的这一波段的紫外光。然而，电弧、火焰等光源中却常常包含这一波段的紫外光。因此，紫外探测在高压输电监控、火焰探测等领域具有重要应用。此外，由于大气中缺乏这一波段的自然紫外光，它在通信过程中受到的干扰较少，从而能够有效减少背景噪声，提高信息传输的效率。氧化镓（Ga2O3）是一种具有超宽带隙（4.5-5.3 eV）的半导体材料，广泛适用于日盲紫外光电探测器。然而，因为p型掺杂仍然面临巨大挑战，Ga2O3的同质p-n结暂时难以实现。同时，由于功函数、残留杂质、晶体缺陷等差异，能与Ga2O3形成肖特基势垒的金属种类相对有限。有文献报道，氧化锌（ZnO）和氧化铱（Ir2O3）分别具有n型和p型导电性，通常是与Ga2O3形成n-n和p-n异质结的首选材料，但它们成本高、性能有限且制造工艺要求高。此外，在Ga2O3表面外延生长时还面临着晶格匹配、热膨胀系数匹配和临界异质膜厚度限制等问题。相比之下，有机半导体种类更多，具有更丰富的能带结构，使得异质结成为潜在的选择。
近日，南京邮电大学唐为华课题组使用雾相化学气相沉积技术（Mist-CVD）在蓝宝石衬底上沉积了Sn:α-Ga2O3薄膜，通过旋涂PEDOT:PSS并添加电极，从而制备PEDOT:PSS/Sn:α-Ga2O3异质结二极管光电探测器。他们在该工作中系统研究了该光电探测器的性能和机理，结果表明，在Sn:α-Ga2O3薄膜和PEDOT:PSS 的界面上形成了典型的Ⅰ型异质结。其在254 nm紫外灯照射下产生了显著的光伏效应，开路电压（VOC）达到0.4 V。同时在自供电模式下工作时，表现出卓越的光响应性能，如10.9 nA的出色光电流、0.38/0.28 s的快速上升/衰减时间和91.2的较大开/关比。此外，该光电探测器还具有出色的光探测性能，自供电模式下其响应率和比探测率分别高达5.61 mA/W和1.15 × 1011 Jones。
通过无真空Mist-CVD技术获得了高灵敏度的α-Ga2O3薄膜，并在此基础上提供了一种低成本的p-PEDOT:PSS/n-Sn:α-Ga2O3旋涂方法。与基于真空系统的 紫外光电探测器相比，展现出了优越的性能，为推动Ga2O3在工业领域的应用发挥了积极的作用。
该文章以题为“Self-powered PEDOT:PSS/Sn:α-Ga2O3 heterojunction UV photodetector via organic/inorganic hybrid ink engineering”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Self-powered PEDOT:PSS/Sn:α-Ga2O3 heterojunction UV photodetector via organic/inorganic hybrid ink engineering
Yifan Yao, Suhao Yao, Jiaqing Yuan, Zeng Liu, Maolin Zhang, Lili Yang, Weihua Tang
J. Semicond. 2024, 45(12): 122402 doi: 10.1088/1674-4926/24050048
12 激光处理的混沌氧化石墨烯忆阻器在储备池网络中的应用
忆阻器是一种基于电阻特性的器件，因其具有高密度、低功耗和非易失性等优点，广泛应用于存储和计算任务中。然而，传统忆阻器面临一些局限性，如高制造成本、稳定性差和较慢的写入速度。为了解决这些问题，石墨烯及其衍生物作为新兴的存储材料受到了广泛关注。石墨烯氧化物（GO）作为一种二维材料，因其优异的可扩展性、纳米厚度和大规模制造潜力而受到重视。然而，GO薄膜因表面含有羟基和环氧基团，导致其电学性能较差，限制了其在忆阻器件及阵列的应用。通过控制氧化官能团的密度调节GO带隙等材料特性，可以实现对其电学性能的调控，为其在非易失存储应用提供了潜力。目前，激光处理被认为是一种高效精准的还原方法，通过调控作用区域和激光强度，相较于其他还原方法，展示出更高的精度和均匀性，并且处理过程快速、无污染。通过激光处理，可以有效去除GO中的氧化官能团，将其还原为具有良好电导性的还原石墨烯氧化物（rGO）。尽管激光还原石墨烯氧化物（rGO）已有较多研究，但其在神经形态计算和储备池（RC）网络中的应用仍然相对较少。
近日，山东大学陈杰智教授课题组成功制备了Ag/rCGO/Ag忆阻器，并系统研究了激光功率对忆阻器电导性的影响。研究结果表明，与未进行激光处理的薄膜器件相比，激光处理显著提高了器件的电导性和存储能力。在激光功率为18 mW时，忆阻器显示出较高开关比（约1.73 × 10³）。进一步，将混沌rCGO忆阻器应用于储备池（RC）网络，并展示了丰富的储备池状态。通过引入额外的控制端，增强了神经计算系统的可调节性。在Hénon映射预测任务中，基于混沌rCGO忆阻器的RC系统表现出了高准确性，标准化均方根误差（NRMSE）小于0.3，为基于石墨烯材料的新型非易失存算单元和可调节硬件神经网络提供重要科学参考。
图1. rCGO忆阻器电学性能。（a-c） 0 mW、18 mW、22 mW激光作用下器件I-V曲线；(d) 不同激光功率下的电阻值。
图2. （a）控制端可调的rCGO忆阻器示意图。（b）控制端位置1, 2, 3的rCGO忆阻器对应的电流（施加3 V电压）；（c）控制探头在位置1时，不同电场方向的rCGO忆阻器对应的电流；（d）获得的NRMSE结果。
该文章以题为“Laser processing induced nonvolatile memory in chaotic graphene oxide films for flexible reservoir computing applications”发表在Journal of Semiconductors上，山东大学詹学鹏教授为通讯作者，电子信息的博士生陈博和微纳光电子科学与技术的本科生朱宝杰为共同第一作者。
文章信息：
Laser processing induced nonvolatile memory in chaotic graphene oxide films for flexible reservoir computing applications
Bo Chen, Baojie Zhu, Yifan Wu, Pengpeng Sang, Jixuan Wu, Xuepeng Zhan, Jiezhi Chen
J. Semicond. 2024, 45(12): 122403 doi: 10.1088/1674-4926/24080045
13 1200 V平面SiC MOSFET的短路失效模式和机理研究
碳化硅（SiC）因其宽带隙、高临界击穿场强和高电子迁移率等特性，在提升电力转换效率方面发挥着至关重要的作用。当前，SiC MOSFET技术已实现商业化，并在多种功率转换电路及新能源汽车中得到广泛应用。然而，在功率转换过程中，SiC MOSFET在关断状态下需承受较高的直流电压，故障条件下可能导致该电压直接施加于开启状态的SiC MOSFET，引发短路现象。因此，在短路保护电路激活前，功率器件必须至少能够耐受10 μs的短路故障。鉴于SiC MOSFET较小的芯片尺寸和更高的电流密度，其短路承受时间相较于传统硅基器件更短。因此，深入研究SiC MOSFET的短路失效模式和机理变得尤为重要，以确保其在高功率、高效率电力电子系统应用中的可靠性和稳定性。
近日，重庆邮电大学黄义教授、高升博士课题组联合西安电子科技大学韩根全教授创新揭示了1200 V平面SiC MOSFET在400 V和800 V母线电压条件下的短路失效机制。他们在该工作中深入探讨了影响1200 V平面SiC MOSFET短路耐受性的外部特性和内在因素。结合实验短路失效现象和TCAD仿真分析，发现在400 V时，器件温度主要集中在JFET区，上升至1300 K，源金属和介质之间的差异热膨胀导致裂纹的产生，反过来又促进了液态金属的渗透，导致栅源短路。在800 V下的失效机制与传统的寄生晶体管的激活不同，其归因于热载流子效应导致栅氧化物退化，导致器件关断能力变差，从而触发热失控。最终提出了增强SiC MOSFET在两个电压水平下的短路鲁棒性的策略，以降低器件短路失效的风险。
该工作深入剖析了SiC MOSFET在不同直流母线电压条件下的短路行为，丰富了器件的短路可靠性理论，对促进SiC MOSFET在高功率电力电子领域的可靠性应用起到了积极作用。
图1. 单脉冲短路试验台。（a）测试原理图；（b）实际测试版图。
图2. （a）整个芯片区域；（b）热点局部放大区域图；（c）在热点区域的FIB-TEM截面图。
该文章以题为“Short-circuit failure modes and mechanism investigation of 1200 V planar SiC MOSFETs”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Short-circuit failure modes and mechanism investigation of 1200 V planar SiC MOSFETs
Yi Huang, Qiurui Chen, Rongyao Ma, Kaifeng Tang, Qi Wang, Hongsheng Zhang, Ji Ding, Dandan Xu, Sheng Gao, Genquan Han
J. Semicond. 2024, 45(12): 122501 doi: 10.1088/1674-4926/24060009
14 降低GaN基激光二极管接触电阻的金属化工艺
近年来，GaN基激光二极管因其在激光显示、激光照明、激光存储和光通信等领域的广泛应用前景而备受关注。然而，GaN基激光二极管的光电性能仍面临一些技术难题，尤其是如何在保证高注入电流密度的同时降低系列电阻，这是提升其输出功率和热稳定性的关键问题。为了解决这一瓶颈，复旦大学信息学院的研究团队提出了一种新型低电阻欧姆接触技术，为GaN基激光二极管的高效运行提供了创新性的解决方案。
在本研究中，复旦大学迟楠、沈超课题组与中国科学院苏州纳米所徐科团队开展紧密合作，提出通过在GaN基激光二极管中引入In0.15Ga0.85N接触层来降低特征接触电阻。实验结果表明，采用In0.15Ga0.85N接触层后，GaN基激光二极管的特定接触电阻降低到了2.57 × 10-5 Ω·cm²，远低于传统GaN接触层的7.61 × 10-3 Ω·cm²。这一创新性方法显著减少了金属和p型GaN之间的势垒，从而有效降低了载流子复合，提高了电流注入效率，为GaN基激光二极管的性能提升打下了基础。
为进一步提高接触性能，研究团队还针对金属电极堆叠结构进行了优化。实验中，研究人员选择了Pd/Au和Ni/Au两种常见的金属电极组合，分别采用不同厚度的金属层进行了比较。结果表明，Pd/Au（10/30 nm）电极组合在退火处理后，能够有效降低接触电阻至10-5 Ω·cm²数量级，显著提升了GaN基激光二极管的效率。
此外，研究人员还系统地分析了不同退火气氛对接触电阻的影响。通过对不同气氛（如氮气和氧气混合气氛、纯氮气）下的退火处理，研究人员发现Pd/Au电极组合在氮气与氧气混合气氛下的退火效果最佳，能够进一步降低接触电阻。
该研究表明，采用In0.15Ga0.85N作为GaN基激光二极管的接触层，并通过优化金属电极组合和退火工艺，能够显著降低接触电阻，为GaN基激光二极管的高效运行提供了技术支持。这一成果为GaN基半导体器件的性能提升开辟了新的研究方向，也为其在更广泛的应用领域，特别是在高功率、高效率激光器和光电器件的开发中提供了理论依据和技术保障。
图1. (a) GaN接触层（左）和In0.15Ga0.85N接触层（右）外延层结构示意图。标记了每一层的成分和掺杂浓度。(b) c-TLM模式制备样品的显微镜照片。
该文章以题为“Low-resistance Ohmic contact for GaN-based laser diodes”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Low-resistance Ohmic contact for GaN-based laser diodes
Junfei Wang, Junhui Hu, Chaowen Guan, Songke Fang, Zhichong Wang, Guobin Wang, Ke Xu, Tengbo Lv, Xiaoli Wang, Jianyang Shi, Ziwei Li, Junwen Zhang, Nan Chi, Chao Shen
J. Semicond. 2024, 45(12): 122502 doi: 10.1088/1674-4926/24060018
15 抗位移辐照二维MoS2晶体管
随着科技的持续进步和太空探索的不断深入，人们对集成电路抗辐照性能的要求日益提高。低维半导体材料（如二硫化钼，MoS2），凭借其优异的电学性能以及纳米尺度的辐照吸收截面，成为构建抗辐照集成电路极具潜力的半导体沟道材料。以往针对MoS2器件的研究大多聚焦于总剂量辐照效应，而对于位移损伤效应的探讨相对匮乏。高能粒子轰击MoS2时，通过非电离能量损失（Non-Ionizing Energy Loss, NIEL）将部分能量传递给材料内部的原子，这一过程可能导致材料内部产生空位和间隙原子等晶格缺陷，进而影响器件的电学性能。
近日，南京大学朱马光课题组使用30 keV的质子对MoS2 晶体管进行了位移损伤辐照效应实验（图1），并通过SRIM（Stopping and Range of Ions in Matter）模拟分析了辐照位移损伤效应的机制。研究表明，MoS2层数减少，抗位移辐照能力增强。单层MoS2晶体管在经受1.56 × 1013 MeV/g的位移损伤辐照后，其亚阈值摆幅（SS）和阈值电压（Vth）几乎保持不变（图2），展现了极高的抗位移损伤能力，满足深空探测应用需求。
图1. 30 keV质子辐照前后MoS2晶体管的电学性能。
图2. 辐照吸收截面与辐照耐受性之间的关系。
该文章以题为“Displacement damage effects in MoS2-based electronics”发表在Journal of Semiconductors上，南京大学博士研究生何凯悦、硕士研究生李占琪为该文共同第一作者，朱马光助理教授为该文通讯作者。本项研究工作获得了国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费基金、江苏省自然科学基金、江苏省重点研发计划等项目的支持。
文章信息：
Displacement damage effects in MoS2-based electronics
Kaiyue He, Zhanqi Li, Taotao Li, Yifu Sun, Shitong Zhu, Chao Wu, Huiping Zhu, Peng Lu, Xinran Wang, Maguang Zhu
J. Semicond. 2024, 45(12): 122701 doi: 10.1088/1674-4926/24090027
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