研究论文

7 Si基AlGaN/GaN功率半导体器件的研制和TCAD模型研究

以GaN、SiC为代表的宽禁带半导体功率器件具有优异的高频特性、高功率密度和能量转换效率，因此在数据中心、消费电子、电动汽车、光伏等领域展现出广阔前景；也为GaN在低成本和大规模Si衬底上的异质外延技术指明了应用方向；Si上GaN具有成本低，并与Si基CMOS兼容、集成等优势。然而Si与GaN之间存在的较大晶格失配和热失配是制约Si基GaN技术发展的主要瓶颈，由失配产生的位错与应力会严重影响结晶质量，影响器件性能的可靠性。

近期，河北工业大学、广东工业大学、中国科学院长春光学精密机械与物理研究所和南方科技大学联合研究团队开发了一种基于沟槽n⁺-GaN盖帽层与薄Si₃N₄介质层协同作用的硅基AlGaN/GaN凹槽阳极肖特基势垒二极管（SBD），该设计实现了器件比导通电阻的降低、漏电流的减小及击穿电压的提升；同时研究人员开发了Si上GaN功率半导体器件的仿真模型。

研究分析发现，与没有n⁺-GaN盖帽层的参考器件相比，n⁺-GaN盖帽层将AlGaN/GaN界面的二维电子气（2DEG）浓度提升了约两倍【见图1（c）】，将比导通电阻降低至2.4 mΩ·cm²。同时，沟槽n⁺-GaN结构有效阻断了器件在关断状态下的表面导电通道；在沟槽n⁺-GaN结构区域制备的Si₃N₄介质层则显著减小了GaN表面刻蚀缺陷诱导的漏电流。最终，所研制的器件获得了约8 × 10^-5 A·cm^-2关态漏电流和876 V击穿电压，并将巴利加优值（BFOM）提高至319 MW·cm²（见图2）。该工作不仅为高性能GaN功率器件的开发提供了一种技术路径，也完善了Si基GaN功率半导体器件的物理模型。

图1.（a）无n⁺-GaN盖帽层的参考器件和（b）具有沟槽n⁺-GaN盖帽层的实验器件结构示意图；（c）有/无n⁺-GaN帽层的AlGaN/GaN异质结构的2DEG分布。

图2.（a）所设计的AlGaN/GaN SBD仿真与实验反向I-V特性曲线；本工作中制备的AlGaN/GaN SBD和其他已报道的横向AlGaN/GaN SBD的对比图：（b）R_{on, sp}与BV, （c）V_on与反向漏电流。

该文章以题为“AlGaN/GaN-based SBDs grown on silicon substrates with trenched n⁺-GaN cap layer and local passivation layer to improve BFOM and dynamic properties”发表在Journal of Semiconductors上。

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AlGaN/GaN-based SBDs grown on silicon substrates with trenched n⁺-GaN cap layer and local passivation layer to improve BFOM and dynamic properties

Zhizhong Wang, Jingting He, Fuping Huang, Xuchen Gao, Kangkai Tian, Chunshuang Chu, Yonghui Zhang, Shuting Cai, Xiaojuan Sun, Dabing Li, Xiao Wei Sun, and Zi-Hui Zhang

J. Semicond. 2025, 46(9), 092502. doi: 10.1088/1674-4926/25010024

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8 用于高能质子探测的GaN二极管的比较性研究

本工作制备并研究了用于高能（64.8 MeV）质子探测的GaN二极管。文中对不同结构GaN二极管的性能进行了比较，重点对比了蓝宝石衬底与GaN衬底、肖特基二极管与PIN二极管，以及不同有源层厚度对器件性能的影响。对于0 V偏压下工作的GaN质子探测器，基于蓝宝石衬底制备的PIN二极管是最佳选择。此类二极管灵敏度高（最小可检测质子束流密度小于1 pA/cm²），与质子束流成线性关系，且响应速度快（<1 s）。GaN二极管具备高质子束流灵敏度及高空间分辨率，未来可用于质子治疗中对患者进行质子成像。

图1. (a) 在GaN和蓝宝石衬底上具有10 μm有源层的肖特基二极管的响应电压曲线，质子束电流密度为132 pA/cm²。(b) 0 V时作为质子束电流密度函数的二极管响应。

该文章以题为“GaN diodes comparative study for high energy protons detection”发表在Journal of Semiconductors上。

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GaN diodes comparative study for high energy protons detection

Matilde Siviero, Maxime Hugues, Lucas Lesourd, Eric Frayssinet, Shirley Prado de la Cruz, Sebastien Chenot, Johan-Petter  Hofverberg, Marie Vidal, and Jean-Yves Duboz

J. Semicond. 2025, 46(9), 092503. doi: 10.1088/1674-4926/25020014

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9 自组装柔性Ti₃C₂T_x MXene基热充电超级电容器

寻找能够应对全球变暖和环境污染的绿色能源，是当前亟待解决的挑战。热能作为一种极具潜力的可持续能源，在自然环境和人类生活中普遍存在。除了由太阳光、燃料、机械工作等产生的热源外，人体自然产生的热量（36-37 ℃）可作为一种持续热源，这种自发持续的热量具有被热电装置收集的潜力。当人体与环境之间存在温差（ΔT）时，其产生的热能采集展现出持续性、自发性、安全性及广泛适用性的独特优势。与传统热电装置相比，热充电超级电容器（TCSCs）不仅具备输出电压高、制造工艺简单、易于微型化和灵活集成等优势，还拥有独立收集、转换和储存热能的独特能力。因此，TCSCs被广泛认为是自供电设备柔性集成的理想选择。在众多材料中，二维碳化钛MXene（Ti₃C₂T_x）因其高载流子电导率、快速离子传输和高霍尔迁移率而被认为是一种很有前景的热电材料。

近日，北京理工大学沈国震教授、李腊副教授团队报道了一种自组装柔性Ti₃C₂T_x MXene基TCSC器件，器件采用Ti₃C₂T_x MXene作为电容器电极， NaClO₄/PEO凝胶作为固态电解质。研究团队探讨了TCSCs的工作机制，TCSCs通过塞贝克效应将热能转化为电能，塞贝克系数是评价其热电性能的核心参数之一。所组装的Ti₃C₂T_x基TCSCs器件的塞贝克系数达到11.8 mV K^-1，并在不同温差条件下保持良好的循环稳定性。通过多种实际应用的验证表明，基于Ti₃C₂T_x MXene的TCSC器件是自供电集成电子设备的优秀候选材料。

图1. （a）Ti₃C₂T_x MXene基的TCSC器件在温差驱动下的工作机制示意图；（b）Ti₃C₂T_x MXene基的TCSC器件在周期性施加4.3 ℃、6.8 ℃、9.4 ℃、14.4 ℃和18 ℃温差时的充放电循环曲线；（c）不同温差下的Seebeck系数。

该文章作为封面文章，以题为“Self-assembled flexible Ti₃C₂T_x MXene-based thermal charging supercapacitor”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Self-assembled flexible Ti₃C₂T_x MXene-based thermal charging supercapacitor

Lifeng Wu, La Li, Guozhen Shen

J. Semicond. 46(9), 092601 doi: 10.1088/1674-4926/25030009

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10 通过钽掺杂改善p型氧化锡薄膜晶体管的电学性能与边缘效应

金属氧化物半导体在柔性显示、传感、射频识别及存储等电子器件应用领域中备受关注。其中，n型金属氧化物已展现出优异的迁移率、高开关电流比与良好的稳定性，相比之下，p型金属氧化物的性能仍存在显著差距。在Sn²⁺基的p型金属氧化物中，Sn²⁺的5s轨道与O的2p轨道发生杂化并形成价带顶，使得材料具有较小的载流子有效质量与较高的空穴迁移率。然而，Sn²⁺与Sn4+态之间的相互转化会导致材料物相稳定性较差，同时其带隙较窄等问题也严重阻碍了SnOx薄膜的高质量制备及其在薄膜晶体管（TFTs）等器件中的进一步应用。

目前，通过向二元化合物氧化亚锡（SnO）中引入钽（Ta）元素以调控其带隙宽度、降低空穴有效质量并提升物相稳定性的研究思路，已受到广泛关注。基于第一性原理计算，Ta的掺入能够改变Sn-O-Ta的晶体结构，理论预测其空穴迁移率可超过60 cm²/Vs。Sn、O、Ta原子间的静电相互作用及稳定的晶格结构，有助于提升Sn²⁺价态的热力学稳定性。此外，Ta掺杂后的Sn²⁺基金属氧化物显示出更宽的带隙，这不仅缓解了SnO本身带隙较窄的局限，还有助于降低TFTs的本征载流子浓度和关态电流。尽管已有大量计算模拟研究表明，掺入Ta的Sn²⁺基金属氧化物是一种极具潜力的宽带隙p型半导体材料，但目前尚无研究报道证实该材料的实验合成过程及其半导体特性。

近日，湖南大学廖蕾教授、李国立副教授课题组实现了向p型SnO_x薄膜中掺入Ta元素，并对所制备薄膜的材料性能及TFTs的器件性能进行了系统研究。结果表明，Ta掺杂可有效降低SnO_x薄膜的缺陷态密度、提高结晶度并扩大带隙，进而优化 TFTs 的场效应迁移率、开关电流比、亚阈值摆幅等关键电学性能参数。此外，通过Ta掺杂，p型SnO_x TFTs的边缘效应（Fringe effect）得到改善，同时器件在负偏压应力（NBS）与负偏压温度应力（NBTS）下的稳定性也显著提升。

通过Ta掺杂来改善p型SnO_x TFTs的电学特性作为一种有效策略，可为p型SnO_x TFTs 的进一步探索与发展提供助力。

图1. (a) SnOₓ/SnOₓ:Ta TFTs的结构示意图。(b) 经不同温度退火30分钟后、(c) 在2.3%−4.3%氧分压（OPP）范围内沉积、(d) 具有不同沟道厚度的SnOₓ与SnOₓ:Ta TFTs的转移特性曲线（I_DS-V_GS）。

图2. 开启状态下（V_GS = −50 V、V_DS = −1 V），SnOₓ TFTs的沟道及边缘区域电流分布（单位：A/cm²）：(a) W/L = 1；(b) 宽长比W/L = 20。(c) 掺杂与未掺杂 SnOₓ TFTs 的转移特性曲线（V_DS = −1 V）模拟结果与实测结果对比。

该文章以题为“Improving electrical performance and fringe effect in p-type SnO_x thin film transistors via Ta incorporation”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Yu Song, Runtong Guo, Ruohao Hong, Rui He, Xuming Zou, Benjamin Iñiguez, Denis Flandre,  Lei Liao, and Guoli Li

J. Semicond. 2025, 46, 092602 doi: 10.1088/1674-4926/25010031

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