研究论文

4 P型基底均匀掺杂结构对EBCMOS噪声特性的影响研究

电子轰击型互补金属氧化物半导体（EBCMOS）是一种数字化微光成像器件，能够实现极低照度下目标的数字化成像，具有传感器尺寸和重量小、灵敏度和动态范围高、响应速度快、对比度和分辨率高等优点。EBCMOS 的结构主要由背部减薄CMOS（BSB-CMOS）、光阴极和真空管组成。光生电子在光阴极和BSB-CMOS阳极之间施加的强电场作用下直接轰击BSB-CMOS，在BSB-CMOS内实现光生电子的倍增和二次电子的收集。传统的微光成像器件ICCD，由于通道板的噪声因子较大，无法实现超低照度下图像的识别。而从EBCMOS的工作原理可知，电子轰击半导体过程产生的噪声远远小于微通道板电子增益过程的噪声，同时，光电子直接入射到背部减薄CMOS上避免了转换过程中的图像衰减, 从而使图像的信噪比(SNR)大大提高, 能获得比ICCD更低的噪声。然而，目前针对EBCMOS器件噪声特性的研究较少，虽然有报道对EBCMOS器件暗电流展开一系列的实验研究，但没有给出EBCMOS信噪比的理论计算模型。

近日，长春理工大学宋德教授课题组针对EBCMOS的噪声特性展开研究，依据EBCMOS工作原理分析系统内噪声的来源，并结合已有的EBCMOS增益计算模型，建立信噪比计算模型，重点研究了EBCMOS中P型基底均匀掺杂结构下电子倍增层内噪声特性的影响因素。结果表明，采用Al₂O₃作为钝化层且厚度为15 nm时，器件的界面态密度最低，暗电流噪声显著降低，从而有效提升信噪比。同时，降低P型基底的掺杂浓度与厚度、提高入射电子能量，并优化基底工作温度可进一步提升器件的增益电子数，抑制暗电流噪声，实现信噪比的大幅提升。模拟结果显示，优化后的器件在中心像素区可实现信噪比252e/e、倍增电子数59710e的优异性能。

本研究建立了EBCMOS噪声理论计算模型，为高信噪比成像器件的研制提供理论支撑，对推动其在夜视、深空探测、生物成像等领域的应用具有积极意义。

图1. EBCMOS结构及噪声形成机理。

图2. 钝化层不同时器件中的噪声特性：(a) 不同钝化层时的SNR和N_pixel；(b) 三种材料不同钝化层厚度时的N_ss；(c) 三种材料不同钝化层厚度时的SNR； (d) Al₂O₃钝化层厚度不同时的N_dark和N_ss；(e) Al₂O₃钝化层厚度不同时的N_M和N_pixel；(f) 钝化层Al₂O₃厚度为15 nm时5 × 5像素区内SNR分布图。

该文章以题为“Influencing factors of noise characteristics in EBCMOS with uniformly doped P-type substrates”发表在Journal of Semiconductors上。

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Influencing factors of noise characteristics in EBCMOS with uniformly doped P-type substrates

Xinyue He, Gangcheng Jiao, Hongchang Cheng, Tianjiao Lu, Ye Li, De Song, Weijun Chen

J. Semicond.  2026, 47(1): 012302  doi: 10.1088/1674-4926/25030039

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5 一种用于储备池计算时序信息分类的低热预算MOSFET

神经形态器件旨在从硬件层面模仿神经系统的信息处理方式，通过在器件层面引入突触可塑性、动态非线性响应等特性，使其在执行感知、推理与学习等任务时具备接近生物大脑的能效优势。在此背景下，储备池计算（Reservoir Computing，RC）凭借训练成本低、时序信号处理效率高等优势，成为一种颇具前景的框架。近年来，研究者已提出并验证了多种物理储备池器件实现的方案，例如基于铁电材料极化翻转与回滞特性实现的铁电储备池、基于光电效应和光学非线性实现的光电储备池、以及基于忆阻器电导可塑性与离子迁移动力学的忆阻储备池等，但其中许多仍面临与主流CMOS集成工艺兼容性不足的问题。

为此，中国科学院微电子研究所殷华湘团队联合清华大学唐建石团队，提出了一种低热预算、与CMOS集成工艺兼容的硅基肖特基势垒MOSFET。该器件基于肖特基势垒与电荷陷阱俘获的共同调制，表现出可用于储备池计算的短期记忆特性。基于此特性，构建了用于时序数据处理的储备池计算网络，并在5 × 4的数字分类任务中验证其性能：经过50个训练轮次后，分类准确率超过98%。此外，通过结合时分复用成功实现了对时序信号的处理，可用于处理波形分类与时序预测等任务。

低热预算硅基肖特基势垒MOSFET与CMOS工艺的高度兼容性为大规模集成提供了显著优势，有望推动面向低功耗、高能效的储备池计算硬件系统的发展。

图1. 低热预算MOSFETs基本电学性能。(a) 短期记忆特性测试示意图，其中施加恒定栅压作为偏置，漏源电压用于触发兴奋性突触后电流(EPSC)。(b) 栅长为180 nm的器件转移特性曲线。(c) 在不同栅压V_G下获得的输出特性曲线。(d) 在V_G从0.4到 -0.4V且步长为 -0.2V的条件下进行双向V_DS扫描(从+3到−3 V，再返回至+3 V)，表现出阻变行为。(e) 在V_G = 0 V时，V_DS不同双扫范围下的阻变特性(-2.1至 -3.0V，步长为-0.3V)。(f) 由两次连续V_GDS脉冲(脉冲宽度= 20 ms，间隔= 160 ms)诱发的EPSC响应。(g) 双脉冲易化（PPF）随脉冲间隔变化的关系，采用双指数模型拟合其衰减曲线得到快慢衰减因子。(h–i)由肖特基势垒与电荷陷阱俘获共同调制的短期记忆特性机理示意图。

图2. 基于MOSFET实现储层计算框架的5 × 4数字识别任务。(a) 完整实现框架示意图。将5 × 4像素的二值图像编码为五组4位脉冲序列，引入时间特征并依次输入五个并行储层，最终通过6 × 10读出层完成分类。(b) 训练数据集中的典型样本示例。(c) 所有4位脉冲编码从'0000'到'1111'对应的器件电流响应映射（栅压V_G = 0 V，脉冲宽度T_pulse = 20 ms，间隔160 ms）。(d) 分类结果与真实标签的混淆矩阵。(e) 识别准确率随训练轮次的变化曲线，50轮训练后准确率超过98%。

该文章以题为“A low-thermal-budget MOSFET-based reservoir computing for temporal data classification”发表在Journal of Semiconductors上。

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A low-thermal-budget MOSFET-based reservoir computing for temporal data classification

Yanqing Li, Feixiong Wang, Heyi Huang, Yadong Zhang, Xiangpeng Liang, Shuang Liu, Jianshi Tang, Huaxiang YinJ. Semicond.  2026, 47(1): 012303  doi: 10.1088/1674-4926/25080038

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6 基于CZTS的新型双功能光伏自供电纳米光电探测系统

CZTS (Cu2ZnSnS4)是一种环境友好且成本较低的四元半导体材料。本文报道了基于CZTS异质结纳米器件的制备及性能优化，该器件适用于太阳能电池、光电探测器等双功能应用场景。首先，通过射频溅射法（功率为100 W和200 W）在钼涂层玻璃衬底上沉积CZTS薄膜。随后对薄膜进行快速热处理（RTP），温度为300 °C、400 °C和500 °C。采用化学浴沉积法在CZTS薄膜表面沉积硫化镉（CdS），沉积时间为3分钟和5分钟。最后，通过射频溅射沉积氧化锌（ZnO）和铝掺杂氧化锌（AZO），完成太阳能电池的制作。XRD测试结果证实：经RTP工艺生长的CZTS薄膜为四方相结构，且结晶度显著提升。拉曼光谱呈现CZTS相关的特征峰，分别位于336 cm-1和335 cm-1。场发射扫描电子显微镜（FESEM）结果表明薄膜的表面形貌，包括晶粒大小，受RTP温度影响。器件的理想因子接近2，表明Mo/CZTS界面存在缺陷。肖特基势垒高度约为0.6 eV至0.7 eV。薄膜吸光度和透过率随RTP温度变化呈规律性波动。本文制作的光伏器件由高结晶度的CZTS薄膜和不同结合沉积时长的CdS层组成。当CdS沉积时间为3分钟和5分钟时，器件的光电转换效率分别为1.15%和0.97%。上述器件被用于波长依赖的光电探测，实现了自供电光电探测。

图1. 基于CZTS的双功能纳米系统示意图。

该文章以题为“CZTS based novel bifunctional photovoltaic and self-powered photodetection nano system”发表在Journal of Semiconductors上。

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CZTS based novel bifunctional photovoltaic and self-powered photodetection nano system

Kalyan B. Chavan, Maruti V. Salve, Shweta Chaure, Nandu B. Chaure

J. Semicond.  2026, 47(1): 012401  doi: 10.1088/1674-4926/25030025

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