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专题 | 半导体物理与器件（I）( 上）

已有 187 次阅读 2026-6-10 11:41 |系统分类:论文交流

编者按

半导体物理与器件是信息技术迭代升级的核心驱动力，更是支撑数字经济、新能源、国防安全等国家重大战略的关键物理基础。随着摩尔定律趋近物理极限，传统半导体技术面临算力、能效、集成密度等多重瓶颈，后摩尔时代的发展亟需在半导体材料物性调控、器件新原理探索与异质集成技术创新等方面实现源头创新，破解制约产业发展的关键科学与技术难题。

近年来，我国在(超)宽禁带半导体功率器件、射频/太赫兹器件、新型存储与类脑计算芯片、低维量子器件等方向取得了一系列国际前沿水平的研究成果，同步辐射、自由电子激光等大科学装置与先进表征技术的发展，也为领域基础研究提供了重要支撑。为进一步促进该领域内学术交流、推动产学研深度协同创新，受《物理学报》编辑部委托，我们特策划组织了“半导体物理与器件”专题。

本专题邀请到国内在该领域活跃的多位杰出学界学者及业界专家，聚焦半导体物理与器件领域的前沿方向、核心科学与技术瓶颈，内容涵盖功率半导体器件与可靠性物理、射频/太赫兹/毫米波半导体器件、新型逻辑/存储与类脑计算芯片、光子与量子新原理器件，撰写新型半导体材料物性、器件物理机制、先进集成工艺等方向的原创研究论文、综述与观点评述，集中展现我国在该领域的最新研究进展、面临的核心挑战与未来发展趋势。

希望通过本专题的出版，为半导体物理与器件领域的科研工作者搭建一个高质量的成果展示、思想碰撞与学术交流平台，进一步推动该领域内材料、物理、器件、集成、应用等多环节的深度协同创新，促进多平台、多技术、多学科的交叉融合，激发领域内的原创性创新灵感。期望相关成果能够为我国半导体领域的基础前沿探索与核心技术突破提供有力支撑，助力我国在这一关键战略领域抢占国际制高点，为提升国家科技自主创新能力、解决国家重大战略需求贡献核心力量。专题陆续出版中，欢迎读者关注。

客座编辑

王开友 中国科学院半导体研究所

黄森 中国科学院微电子研究所

专题文章

半导体物理与器件专题编者按

王开友，黄森

物理学报, 2026, 75(8): 089001

DOI: 10.7498/aps.75.089001

CSTR: 32037.14.aps.75.089001

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研究论文

利用范德瓦耳斯工程定制具有全新发光各向异性的二维异质结

文婷，苏子洛，王雅兰，蔡霜，巫佳琦，秦嘉泽，焦陈寅，王曾晖，张泽娟，裴胜海，夏娟

物理学报，2025，74(24)：241302

DOI: 10.7498/aps.74.20251120

CSTR: 32037.14.aps.74.20251120

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摘要：二维材料的发光特性与各向异性构成了微纳偏振发光器件实现与性能优化的物理基础。然而，并非所有天然二维材料体系同时具备强本征发光与强各向异性，这在很大程度上限制了其在偏振可控发光器件中的应用潜力。针对这一问题，本研究基于范德瓦耳斯工程策略，构建了由单层MoS₂与低对称性NbIrTe₄组成的异质结，从而实现了高效发光特性与强各向异性响应的协同耦合。角分辨偏振光致发光测试结果表明，NbIrTe₄中固有的各向异性势场能够有效地改变单层MoS₂的面内晶格对称性，诱导其光致发光过程呈现明显的偏振依赖性，并显著地提升激子的各向异性辐射强度。本研究不仅揭示了范德瓦耳斯异质结中发光各向异性产生的微观物理机制，还为新一代高性能偏振发光器件的结构设计与性能调控提供了可行的理论指导与实验依据。

平面长腔GaN基垂直腔面发射激光器的器件制备与测试表征

朱壮壮，冯美鑫，李传杰，张书明，孙钱，杨辉

物理学报, 2026, 75(8): 080401

doi: 10.7498/aps.75.20260069

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摘要：氮化镓(GaN)基垂直腔面发射激光器(VCSEL)因其低功耗、小发散角、圆形光束以及易于构建高密度二维阵列等优势，在新型显示和可见光通信等领域展现出巨大应用潜力。本文采用金属键合与激光剥离工艺制备了基于双介质布拉格反射镜的平面型GaN基长腔VCSEL器件，室温连续电流注入下表现出良好的热稳定性，实测热阻仅为349.9 K/W。在光泵浦测试下，器件在435.7 nm处出现明显的激射峰，半高宽约为0.45 nm。在脉冲电注入测试下，随着注入电流的增大，器件的发光光谱由多纵模逐渐演化为单纵模输出。其中，器件的阈值电流密度主要分布在45.3—107.9 kA/cm²之间，激射光谱的半高宽约为1 nm，并呈现轻微不对称性。进一步的远场测量表明光斑具有明显的双瓣结构，从侧面证实了电泵浦激射光谱中存在高阶横模叠加的特征。

基于深能级瞬态谱的InGaSb/AlGaAsSb量子阱激光器能带不连续性表征

陈益航，石建美，耿峥琦，曹钧天，闻皓冉，张恩泉，李宗裔，钟云翔，张启智，吴东海，徐应强，倪海桥，杨成奥，牛智川

物理学报, 2026, 75(8): 080403

doi: 10.7498/aps.75.20251699

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摘要：锑化物光电器件为2—4 μm中红外波段提供了小型化高效率光源解决方案，对气体检测、激光医疗等工业与民生领域技术升级具有重要推动作用。随着新型锑化物激光器的快速发展，应变作用下多元锑化物合金能带结构的精准表征成为器件设计工具迭代的关键瓶颈，尤其InGaSb/AlGaAsSb量子阱的压应变导带底与价带顶偏移量缺乏实际观测数据支撑。本文采用深能级瞬态谱(deep level transient spectroscopy，DLTS)技术结合光致发光(photoluminescence，PL)测试，研究了该量子阱的能带不连续性。DLTS测试测得导带带阶差为0.352 eV，结合PL测试结果计算出价带带阶差为0.156 eV。在DLTS谱中观测到少子信号峰，证实为量子阱在波导层中的电子陷阱；在150 K附近检测到多子信号峰，推测该信号峰与量子阱的空穴发射过程相关。本研究为锑化物光电器件的能带工程设计与缺陷调控提供了关键实验依据。

基于交错磁自旋劈裂的简化双层隧道结隧穿磁阻

徐一博，叶茂轩，陈佳优，杨维，林晓阳，赵巍胜

物理学报, 2026, 75(8): 080707

doi: 10.7498/aps.75.20251642

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摘要：新型交错磁材料打破了传统反铁磁隧道结的自旋简并限制，为开发新型自旋电子器件提供了新的机遇。然而，利用交错磁半导体在简化器件结构的同时保持高热稳定性和显著隧穿磁阻效应，仍是实现高密度存储器件的关键挑战。本文提出一种基于V₂Se₂O/Fe₂B范德瓦耳斯异质结构的隧道结。该结构利用交错磁动量空间的自旋劈裂效应，克服了传统反铁磁隧道结因自旋简并无法实现隧穿磁阻的限制；同时，通过铁磁/交错磁界面的交换偏置效应有效提升铁磁层热稳定性，替代传统人工合成反铁磁钉扎层，显著简化器件结构。采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法的第一性原理计算表明，V₂Se₂O/Fe₂B双层结构在室温下实现283%的隧穿磁阻效应，并具有通过材料掺杂或静电门控进一步优化性能的潜力。本研究所提出的V₂Se₂O/Fe₂B简化双层磁隧道结，在显著降低结构复杂度的同时有效提升器件热稳定性，验证了交错磁材料在新型自旋存储器中的可行性与应用前景。

GaN 高电子迁移率晶体管界面工程对高温与动态偏压可靠性提升的作用机制

万紫嫣，张浩然，李霄，宁静，郝跃，张进成

物理学报, 2026, 75(8): 080708

doi: 10.7498/aps.75.20251629

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摘要：GaN外延生长中的高位错密度与界面缺陷会加速器件可靠性退化。尤其在高温条件下，深能级缺陷被激活、载流子散射增强，使电学与射频特性进一步恶化，成为制约GaN 高电子迁移率晶体管 (HEMT)性能提升的关键瓶颈。为此，本研究在AlGaN/GaN异质结与衬底之间引入由范德瓦耳斯外延的BN缓冲层，并与传统外延结构进行了全面对比。在动态偏压条件下，该结构展现出显著的陷阱抑制能力，电流崩塌仅约9.2%，阈值电压漂移低至0.09 V，导通电阻与跨导基本保持稳定。在125 ℃高温测试中，器件仍表现出良好可靠性，电流崩塌约31%，阈值仅负漂约0.5 V，跨导衰减和导通电阻升幅均明显低于对照器件。在室温静态特性方面，该结构使导通电阻降低约40%，最大输出电流与跨导峰值显著提升。射频性能同样增强：f_T由48 GHz提升至90 GHz，f_max由114 GHz提升至133 GHz。结果表明，该界面优化策略可同时改善载流子输运、抑制陷阱效应并提升射频性能，为实现高频、高功率、高可靠性的GaN HEMT提供了有效路径。

低压p-GaN高电子迁移率晶体管重离子辐照效应

杨富康，祝江根，吴克平，刘文正，高欢，周春华，张波，周琦

物理学报，2026，75(8)：080709

DOI: 10.7498/aps.75.20251571

CSTR: 32037.14.aps.75.20251571

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摘要：氮化镓高电子迁移率晶体管(GaN HEMT)作为第三代半导体器件的代表，在航空航天领域具有重要应用价值，但针对低压p-GaN HEMT的重离子辐照效应研究较为缺乏，亟需明确辐照引起器件退化的物理机理。本文针对40 V肖特基型p-GaN HEMT器件，研究了器件在关态条件下受到线性能量传输值为37.9 MeV·cm²·mg^–1的⁸⁴Kr¹⁸⁺重离子辐照引起的阈值电压和泄漏电流的退化现象及其机理。器件辐照过程中漏极瞬态电流呈现增长趋势、栅极瞬态电流呈现下降趋势；而器件在辐照后源漏之间漏电(I_ds)增大大于2个数量级，阈值电压(V_th)最大负向漂移达0.26 V，漏极漏电(I_dss)增大和栅极漏电(I_gss)减小。通过TCAD仿真和能带理论分析，发现与大多数高压器件重离子损伤发生在漂移区或者缓冲层不同的是，该低压器件电学特性的退化可以归因于重离子辐照产生大量空穴在栅极附近积累，被在p-GaN层和AlGaN势垒层中的类施主型空穴陷阱(donor-like trap)俘获，降低了栅极下方沟道的电子势垒，从而造成泄漏电流增加。该研究对GaN器件在太空应用中的辐照可靠性评估具有参考意义。