短通讯
1
使用激光图案化衬底方法在Ir/YSZ/Si (001)复合衬底上制备2英寸自支撑金刚石单晶
作为一种超宽带隙半导体材料，金刚石具有禁带宽度大、载流子迁移率高、载流子饱和漂移速度大、临界击穿场强大、热导率高等优点，非常适合用于制备高频、大功率、耐高温、抗辐照的电子学器件以及深紫外波段的光电子器件，在新能源、6G通信、空间科学等领域具有广泛的应用前景。在半导体金刚石材料与器件研究中，大尺寸金刚石单晶衬底和外延薄膜的制备是一个重要的研究方向。由于衬底与外延层之间极大的应力，使其面临巨大的技术挑战。
图1. 制备流程。
图2. (a) Ir/YSZ/Si (001) 上异质外延金刚石的 θ-2θ 扫描 X 射线衍射图；(b) 金刚石(111)和Ir(111)在极角χ = 54.74°下的面内φ扫描；(c) 金刚石{111}衍射峰的X射线极图；(d) 金刚石 (200)、(e) (311)和 (f) (220)的摇摆曲线。
图3. (a) 2 英寸自支撑金刚石单晶照片；(b) 等离子蚀刻后金刚石表面的刻蚀坑显微图像。
该文章作为封面文章，以题为“Growth of two-inch free-standing heteroepitaxial diamond on Ir/YSZ/Si (001) substrates via laser-patterned templates”在Journal of Semiconductors上的短通讯栏目发表。团队长期得到王占国院士的大力支持和悉心指导。该工作得到北京市科技计划等的支持。
文章信息：
Growth of two-inch free-standing heteroepitaxial diamond on Ir/YSZ/Si (001) substrates via laser-patterned templates
Pengfei Qu, Peng Jin, Guangdi Zhou, Zhen Wang, Zhanguo Wang
J. Semicond. 2024, 45(9): 090501 doi: 10.1088/1674-4926/24060003
研究论文
2
锡掺杂硫化镉微纳结构的制备、光谱特性及器件应用研究进展
随着电子器件尺寸进入纳米量级，量子效应逐渐显现，传统的理论技术面临瓶颈，摩尔定律开始失效，这迫切需要我们寻找新的材料、制备工艺、器件结构及其物理机制，以实现性能的突破。在此之际，纳米半导体尤其是一维半导体材料，以其卓越的光电特性和集成纳米器件构建潜力，成为推动该领域进一步发展的关键。一维宽带隙II-VI族半导体如CdS，因其2.47 eV的直接带隙和出色的光电子特性，成为研究的焦点。然而，未掺杂的一维CdS微纳结构存在单晶结构、低缺陷密度和较差绝缘性的问题。通过在CdS微纳结构中掺杂不同浓度的Sn，可以有效调控其带隙结构和光电性能，拓宽其光谱响应范围，提升导电性和发光性能，并引入新的能级。深入理解Sn掺杂CdS微纳结构的这些特性，对于低维半导体纳米材料的持续发展和创新具有重要的指导和推动作用。
近日，中北大学刘俊教授课题组在综述文章中系统地阐述了不同生长条件对Sn掺杂CdS微纳结构制备的影响和机理，并进一步通过光谱特性对精确控制生长条件得到的包括纳米线、梳状、微米锥和超晶格等不同Sn掺杂CdS微纳结构的基本光吸收特性、发光性能、光导能力、电子结构、激子极化激元等光物理性质进行了分析和总结，此外还展示了Sn掺杂CdS微纳结构在半导体激光器和光电探测器等应用领域的潜力。最后，总结了Sn掺杂CdS微纳结构研究存在的问题以及未来展望。
本论文不仅加深了对Sn掺杂CdS微纳结构光电物理特性的理解，而且为低维半导体纳米材料的进一步发展和研究提供了重要的指导意义。Sn掺杂CdS微纳结构因其优异的光电性能，在新一代集成光电器件中展现出巨大的应用潜力，随着对Sn掺杂CdS微纳结构的深入研究，未来有望在光电器件设计、纳米光子学以及量子信息技术等领域实现新的技术革新，并与其他领域形成交叉融合，共同推动科学技术和社会的发展。
该文章以题为“Recent progress on fabrication, spectroscopy properties, and device applications in Sn-doped CdS micro-nano structures”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. Sn-CdS微纳结构的制备条件、光谱特性及其在光电器件中的应用的示意图。
文章信息：
Recent progress on fabrication, spectroscopy properties, and device applications in Sn-doped CdS micro-nano structures
Bo Cao, Ye Tian, Huan Fei Wen, Hao Guo, Xiaoyu Wu, Liangjie Li, Zhenrong Zhang, Lai Liu, Qiang Zhu, Jun Tang, Jun Liu
J. Semicond. 2024, 45(9): 091101 doi: 10.1088/1674-4926/24040041
研究论文
3
生长在Si(111)衬底上的CdMnTe/CdTe异质结构由粗糙度诱导的局域态量子限制
研究表明，尽管存在近20%的晶格失配，直接生长在Si(111)衬底上的CdMnTe/CdTe/CdMnTe异质结构仍然具有出色的发光特性。该结构通过分子束外延生长，并通过扫描透射电子显微镜、宏观与微观光致发光测量进行表征。低温宏观光致发光实验呈现出三条发射带，这三条发射带的特征依赖于CdTe层的厚度，并展现出不同的限制特性。温度测量结果表明，低能发射带（1.48 eV处）与缺陷和束缚激子态有关，主发射带（1.61 eV处）具有微弱的二维特性，而高能发射带（1.71 eV处）具有明确的零维特性。微观光致发光测量表明，光谱中存在尖锐的强圆偏振（圆偏振极化率高达40%）发光谱线，这可能与异质结构中存在锰有关。这一研究成果为利用低成本硅技术制备具有典型自旋调控功能的稀磁半导体光子源提供了新的可能性。
该论文以题为“Localized-states quantum confinement induced by roughness in CdMnTe/CdTe heterostructures grown on Si(111) substrates”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. 在H1样品中进行SEM, HRTEM, STEM和EDS测量。(a) 生长在Si(111)衬底上的CdMnTe薄膜表面的SEM图像。(b) CdMnTe与Si(111)衬底界面的HRTEM图像。(c)和(d) STEM图像显示H1样品的界面，显示CdTe层(黄色箭头)形成CdMnTe/CdTe/CdMnTe异质结构。(e) - (g) 由 (d) 得到Te、Cd和Mn元素的能谱图。
文章信息：
Leonarde N. Rodrigues, Wesley F. Inoch, Marcos L. F. Gomes, Odilon D. D. Couto Jr., Bráulio S. Archanjo, Sukarno O. Ferreira
J. Semicond. 2024, 45(9): 092301 doi: 10.1088/1674-4926/24030022
4
多帧合一的、利用持续光电导特性的传感器内计算
随着人工智能光电探测器的水平和需求发展，利用探测器内部的计算能力在解决功耗和延迟瓶颈方面具有显著前景，尤其是在动态识别任务中，这些任务需要生成大量信息并进行逐帧分析，从而涉及大量数据传输。在此，我们提出了一种新颖的动态运动识别方法，利用基于多帧合一的空间-时间传感器内计算的光电探测器。我们的方法引入了一种类视网膜MoS2光电探测器用于运动探测和识别。该器件能够生成信息丰富的最终状态，非线性地嵌入过去和现在的帧信息。在对我们的器件进行目标检测和方向分类的实验中，我们实现了93.5%的高识别准确率。通过消除逐帧分析的需要，我们的系统不仅实现了高精度，还支持了能效高的传感器内计算。
复旦大学微电子学院程增光教授课题组提出了一种新颖的动态运动识别方法：利用基于多帧合一的空间-时间传感器内计算的光电探测器。成功地将MoS2光电探测器应用于传感器内计算，通过利用持久光导电性将多个帧集成到一个帧中，实现了动态运动识别。MoS2光电探测器的固有持续光电导特性允许将时空信息嵌入到单一帧中，从而有效减少冗余数据流，并简化动态视觉任务。此外，与传统的递归神经网络不同，蓄水池网络中的随机权重并不需要训练。因此，网络中的所有器件不需要具备同质性。二维材料器件的双端结构的可扩展性和对异质性的容忍度有助于在每个像素上添加更多器件，从而可能丰富网络状态并增强网络训练效率，最终以最小的成本提高准确性。总之，这种传感器内计算系统可以作为高能效动态机器视觉应用的原型。
文章信息：
Multiframe-integrated, in-sensor computing using persistent photoconductivity
Xiaoyong Jiang, Minrui Ye, Yunhai Li, Xiao Fu, Tangxin Li, Qixiao Zhao, Jinjin Wang, Tao Zhang, Jinshui Miao, Zengguang Cheng
J. Semicond. 2024, 45(9): 092401 doi: 10.1088/1674-4926/24040002
5
用于神经形态计算的InGaZnO基光电突触器件
神经形态计算是一种模仿生物神经系统的结构和功能、力图克服冯·诺依曼架构限制的新型计算范式。在神经系统中，突触作为动态连接器来调节神经元之间的信号传递，这是学习和记忆的基础。因此，人工突触器件成为开发硬件类脑计算的关键元件。传统突触器件依赖电脉冲刺激调节突触权重，但这种方法受限于带宽，影响处理速度，光电突触器件具备低串扰和高带宽的优势被视为未来的发展方向。铟镓锌氧（IGZO）因其高电子迁移率和稳定性，在神经形态计算中展现出巨大潜力。IGZO已在突触晶体管中有所应用，但其在两端突触器件中的研究仍较少。两端器件因其制造工艺简单、高集成能力和与CMOS电路的兼容性而备受关注。基于IGZO的两端设备有望提升神经形态计算的效率、集成度和整体性能。
近日，复旦大学陈琳/孟佳琳课题组利用ALD工艺制备了一种基于IGZO的光电忆阻器，该器件具有制造工艺简单、集成度高等优点，可用作光电突触以应用于神经形态计算。在电和光刺激下，该装置成功模拟了突触的兴奋性突触后电流(EPSC)、成对脉冲促进(PPF)、长期增强(LTP)和长期抑制(LTD) 和学习-遗忘-再学习机制等关键突触功能，并引入了一个模型来阐明这些行为的潜在机制。他们将器件应用于手写数字识别来展示了突触器件的实际应用前景。该器件成功表现出通过光脉冲刺激有效调节突触权重的能力，突触权重被整合到一个三层人工神经网络(ANN)中，实现了对MNIST数据库的手写数字识别，精度高达93.4%。
这些结果表明了基于IGZO的光电忆阻器在神经形态计算中具有极大潜力，也为未来神经形态计算的研究打下基础，展示了开发更先进、更高效的人工智能系统的潜力。
该文章以题为“InGaZnO-based photoelectric synaptic devices for neuromorphic computing”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. (a) 不同脉宽的光脉冲刺激下的EPSC响应EPSC：0.1、0.3、0.5、1、2、3 s。(b) 间隔1 s的两个连续光脉冲的PPF响应。(c) 60 s内脉冲数从3个增加到30个，器件响应从STP过渡到LTP。(d) 利用器件的光脉冲响应模拟人脑学习-遗忘-再学习机制。
图2. (a) 用于手写数字识别的三层人工神经网络示意图。(b) 随训练次数增加的识别精度增加。(c) 第10、100和1000个训练周期下的识别率混淆矩阵。
文章信息：
InGaZnO-based photoelectric synaptic devices for neuromorphic computing
Jieru Song, Jialin Meng, Tianyu Wang, Changjin Wan, Hao Zhu, Qingqing Sun, David Wei Zhang, Lin Chen
J. Semicond. 2024, 45(9): 092402 doi: 10.1088/1674-4926/24040038
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高性能GaSb平面PN结探测器
图1. 不同温度条件下扩散深度及掺杂浓度 (a) SIMS测试结果; (b) 扩散深度与扩散温度的关系。
图2. 不同扩散温度条件下光电二极管的探测率及量子效率。
图3. 320 × 256焦平面阵列对电烙铁和打火机火焰成像。
文章信息：
High-performance GaSb planar PN junction detector
Yuanzhi Cui, Hongyue Hao, Shihao Zhang, Shuo Wang, Jing Zhang, Yifan Shan, Ruoyu Xie, Xiaoyu Wang, Chuang Wang, Mengchen Liu, Dongwei Jiang, Yingqiang Xu, Guowei Wang, Donghai Wu, Zhichuan Niu, Derang Cao
J. Semicond. 2024, 45(9): 092403 doi: 10.1088/1674-4926/24040024
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基于MPCVD的Ga辅助AlN薄膜生长研究
氮化铝（AlN）作为第三代半导体材料中的典型代表，因其宽禁带、高击穿电场、高热导率以及稳定的物理化学性质，成为深紫外光电子器件和高频高压大功率电子器件的理想选择。目前，大量的研究工作针对AlN高晶体质量的生长展开。AlN薄膜的制备涉及多种外延技术，以适应不同的应用需求。常用的AlN生长方法包括金属有机化学气相沉积（MOCVD）、分子束外延（MBE）、氢化物气相外延等（HVPE）。通过对三种外延技术的比较可以发现，MBE生长的AlN具有高纯度和优异的异质结结构控制能力，但其生长速率较低，且设备购置和维护成本高，限制了其产业化应用。HVPE则以高生长速率著称，主要用于衬底材料的制备。相比之下，MOCVD兼具较高的生长速率和良好的结晶质量，且产业化程度高，因此成为外延AlN材料的首选方法。但是由于铝原子在低温下的迁移能力较低，主流的AlN生长设备难以达到1400°C以上的温度，AlN生长所需要的高温条件仍制约着高质量大规模的AlN材料外延，因此，寻找一种AlN的新型外延方式，成为了填补传统薄膜生长技术在应对高温外延需求方面空白的关键。
2021年，中国科学院苏州纳米所张宝顺研究员课题组提出一种基于微波等离子体化学气相沉积（MPCVD）AlN薄膜的外延方法，通过将AlN所需的前驱体气体引入MPCVD腔室，微波激发产生高活性的Al和N等离子体，有效克服了AlN化学键能大的挑战，并降低了Al原子的横向迁移势垒。最终，该团队在生长温度为1450 ℃时制备出晶体质量高且残余应力小的AlN薄膜。MPCVD外延AlN具有诸多优点，如无氨外延过程可避免副反应对源的浪费，H等离子体可以实现对生长表面的非晶和多晶等材料进行刻蚀，而高温外延则有助于提高材料的结晶质量和晶体生长速率。要获得高质量的AlN薄膜，必须精确控制各种生长参数，如微波功率、腔室压力、铝源流量、气体流量、生长温度等，这些因素张宝顺研究员课题组已经进行了充分的分析，为了进一步提高MPCVD AlN生长速率降低生产成本，近期课题组提出Ga辅助AlN外延新方法。本论文的创新之处在于，首次发现Ga可以应用于MPCVD中辅助AlN生长的催化剂，大大提高AlN的生长速度的同时，AlN的晶体结构和组成不会受到影响。当气相TMGa含量较低时，随着Ga源的增加，AlN的晶体质量得到改善，但三维生长方式得到增强。当气相TMGa含量较高时，AlN呈现二维生长模式，但随着Ga源的增加会导致AlN晶体质量的恶化。最终，该团队通过调控生长条件，提出一种两步生长法，达到提高AlN生长速度和晶体质量，以及减小表面粗糙度的目的。
该研究成果不仅为优化AlN薄膜的生长工艺提供了新的思路，还为未来在光电器件中的应用奠定了基础。通过进一步研究Ga辅助在AlN生长中的具体作用机制，有望开发出更加高效的薄膜生长技术，从而提升相关器件的性能和可靠性。同时，这一技术也可扩展应用于其他宽带隙半导体材料的生长，为新型光电子器件的发展提供强有力的支持。
该文章以题为“Effects of gallium surfactant on AlN thin films by microwave plasma chemical vapor deposition”发表在Journal of Semiconductors上。
图2. （a，b）S1-S5 AlN(002)和(102)的x射线摇摆曲线，（c）S1-S5 AlN(002)和(102)的FWHM变化曲线，（d）AlN生长速率和生长温度随Ga比例的变化曲线。
文章信息：
Effects of gallium surfactant on AlN thin films by microwave plasma chemical vapor deposition
Lu Wang, Xulei Qin, Li Zhang, Kun Xu, Feng Yang, Shaoqian Lu, Yifei Li, Bosen Liu, Guohao Yu, Zhongming Zeng, Baoshun Zhang
J. Semicond. 2024, 45(9): 092501 doi: 10.1088/1674-4926/24020017
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10 × 10氧化镓日盲紫外光电探测器阵列与成像特性
日盲紫外探测器作为光电探测的重要工具，在医疗杀菌、火灾预警、电网安全监测、非视距通信和空间探索等领域发挥着重要作用。b氧化镓对250-280 nm波段的日盲紫外光有着良好的光电响应，是一种理想的日盲紫外探测材料。目前，基于单层导线结构的金属-半导体-金属(MSM)结构的日盲紫外探测器阵列的制备及成像研究发展迅速，但单层导线结构会对像素单元面积缩小以及导线密集排布产生一定的影响，限制了阵列向更大规模化发展。
近日，西安邮电大学陈海峰教授课题组基于原子层沉积(ALD)生长的氧化镓薄膜制备了MSM结构的双层导线结构的10 × 10日盲紫外探测器阵列，该阵列通过结构优化设计出行选择和列选择金属线并通过Al2O3进行行列交叉处隔离。课题组研究了单元器件在低压以及不同光强下的探测特性，进一步对整个阵列在不同光强、电压以及高温下的的响应均匀性以及成像性能进行了分析。外加3 V偏压下，单个像素单元的暗电流低至18.5 pA，光暗电流比高达5.5 × 105，响应度为4.28 A/W，外量子效率为2.1 × 103%，比探测率为1.5 × 1014 Jones。该日盲紫外探测器阵列在不同光强和低偏置电压下具有较高的均匀性。此外，该阵列还具有良好的温度稳定性。在300 ℃下成像清晰，外加偏压为5 V和1 V时响应度分别为34.4 A/W和6.45 A/W。
研究结果表明，双层导线结构阵列具有良好的特性。基于这种结构，日盲紫外探测器阵列更易于扩展到更大的规模以实现高像素密度。
该文章以题为“10 × 10 Ga2O3-based solar-blind UV detector array and imaging characteristic”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
10 × 10 Ga2O3-based solar-blind UV detector array and imaging characteristic
Haifeng Chen, Zhanhang Liu, Yixin Zhang, Feilong Jia, Chenlu Wu, Qin Lu, Xiangtai Liu, Shaoqing Wang
J. Semicond. 2024, 45(9): 092502 doi: 10.1088/1674-4926/24030005
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1 MeV电子辐照对AlGaN/GaN基HEMT器件性能影响
氮化镓（GaN）基高电子迁移率晶体管（HEMT）具有击穿场强高、电子漂移速率高等特点。由于其强键合力，GaN具有较高的抗辐照能力，在国防军工、航天航空等领域具有广泛应用前景。强辐照环境更易引发核心器件退化乃至失效等严重问题，严重制约了GaN基HEMT的性能优势，降低系统可靠性及使用寿命。因此，深入研究辐照相关GaN基器件可靠性问题具有重要意义。
近日，北京工业大学冯士维教授团队采用多种表征技术，系统研究了不同剂量电子辐照对AlGaN/GaN HEMT的影响。电学特性测试结果表明，在5 × 1014 cm-2辐照剂量下，被测器件栅极泄漏电流明显增加；即使栅源电压远低于器件阈值电压，仍有部分沟道电流无法完全关断。微光显微镜（EMMI）和电子扫描显微镜（SEM）测试结果表明，在栅极金属条位置出现发光点，且光斑处存在明显损伤，由此推断被测器件电学特性退化可能与高剂量辐照后器件栅极损伤有关。将辐照剂量降低至5 × 1012 cm-2并步进式增加剂量，发现被测器件漏源电流逐渐增加，同时阈值电压略微负向偏移；计算结果表明低剂量辐照后被测器件电子迁移率及二维电子气浓度增加，这一结果可能与辐照后器件结构有序性增加及陷阱密度减小有关。
图2. 5 × 1014 cm-2剂量辐照后器件的 (a) EMMI及 (b) SEM测试结果。
以上高能电子辐照相关研究表明，GaN基HEMT对辐照剂量十分敏感。该研究为GaN基器件在辐照环境中工作的失效分析提供理论支撑，同时为GaN基器件及系统的辐照加固技术发展提供参考。
该文章以题为“Effects of 1 MeV electron radiation on the AlGaN/GaN High electron mobility transistors”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Effects of 1 MeV electron radiation on the AlGaN/GaN high electron mobility transistors
Shijie Pan, Shiwei Feng, Xuan Li, Zixuan Feng, Xiaozhuang Lu, Kun Bai, Yamin Zhang
J. Semicond. 2024, 45(9): 092503 doi: 10.1088/1674-4926/24020020
专题推荐
《半导体学报》简介：
《半导体学报》是中国科学院主管、中国电子学会和中国科学院半导体研究所主办的学术刊物，1980年创刊，首任主编是王守武院士，黄昆先生撰写了创刊号首篇论文，2009年改为全英文刊Journal of Semiconductors（简称JOS），同年开始与IOPP英国物理学会出版社合作向全球发行。现任主编是李树深院士。2019年，JOS入选“中国科技期刊卓越行动计划”。2020年，JOS被EI收录。2024年，JOS最新影响因子为4.8，排在凝聚态物理学科22/79，近Q1区。
“半语-益言”系列讲座
借一言半语，聊“核芯”科技，“半语-益言”全四季直播讲座回放链接：
https://www.koushare.com/topicReview/byyy/68
2024年第五季直播讲座将不定期举办，敬请关注。
“中国半导体十大研究进展”推荐与评选工作简介：
《半导体学报》于2020年初启动实施 “中国半导体年度十大研究进展”的推荐和评选工作，记录我国半导体科学与技术研究领域的标志性成果。以我国科研院所、高校和企业等机构为第一署名单位，本年度公开发表的半导体领域研究成果均可参与评选。请推荐人或自荐人将研究成果的PDF文件发送至《半导体学报》电子邮箱：jos@semi.ac.cn，并附简要推荐理由。被推荐人须提供500字左右工作简介，阐述研究成果的学术价值和应用前景。年度十大研究进展将由评审专家委员会从候选推荐成果中投票产生，并于下一年度春节前公布。
JOSarXiv预发布平台简介：
半导体科技发展迅猛，科技论文产出数量逐年增加。JOSarXiv致力于为国内外半导体领域科研人员提供中英文科技论文免费发布和获取的平台，保障优秀科研成果首发权的认定，促进更大范围的学术交流。JOSarXiv由《半导体学报》主编李树深院士倡导建立，编辑部负责运行和管理，是国内外第一个专属半导体科技领域的论文预发布平台，提供预印本论文存缴、检索、发布和交流共享服务。
JOSarXiv于2020年1月1日正式上线（http://arxiv.jos.ac.cn/），通过《半导体学报》官网（http://www.jos.ac.cn/）亦可访问。敬请关注和投稿！
