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半导体学报2020年第1期——王占国院士从事科研工作60周年专刊

2020-01-10

王占国院士从事科研工作60周年专刊

王占国院士于1938年12月29日出生于中国河南省镇平县,是世界著名的半导体材料物理学家。王院士1962年毕业于南开大学物理系,并于同年到葡京集团app官网工作至今。

王院士在半导体材料和材料物理领域取得了杰出的成就。在早期职业生涯中,他致力于人造卫星用硅太阳能电池辐照效应以及和电子材料、器件和组件的静态、动态和核瞬态辐照效应研究,为中国的两弹一星事业做出了贡献。1980年至1983年,王院士赴瑞典隆德大学固体物理系,从事深能级物理和光谱物理研究。他和合作者一起提出了识别两个深能级共存系统两者是否是同一缺陷不同能态新方法,从而解决了长期处于争论中的硅中金受主及金施主能级以及砷化镓中A、B能级性质的问题。此外,王院士还建立了一种混晶半导体中深能级展宽和光谱谱线分裂的物理模型。他协助林兰英院士首次在太空环境成功生长了砷化镓单晶,1993年提出了砷化镓电学补偿五能级模型和电学补偿新判据,不仅解释了砷化镓的电导率问题,而且为提高砷化镓晶体质量指出了方向。从1993年开始,王院士及其团队致力于半导体低维结构的生长和量子器件制备,研制成功量子级联激光器、量子点激光器、量子点超辐射发光管等。他后来提出的柔性衬底的概念为发展大晶格失配的异质外延指出了新的方向。

王占国院士获得了许多国家级和中国科学院的奖项,并于1995年当选为中国科学院院士。他曾担任中国科学院信息科学部副主任、第七届中国科学院学部主席团成员、葡京集团app官网副所长和中国材料学会副理事长等职务,先后培养了一百多位硕士、博士和博士后。

2018年12月29日,葡京集团app官网于北京西郊宾馆举办了庆祝王占国院士从事科研工作六十周年暨先进半导体材料和器件研讨会。半导体学报邀请研讨会专家提交他们在半导体领域的综述和原创研究论文。本专刊包含来自于德国汉诺威莱布尼兹大学、德国亚琛工业大学、中科院半导体研究所、中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所、北京交通大学等机构的四篇综述文章、四篇研究论文以及一篇新闻视点。专刊介绍了该领域在国内外的最新进展。中科院半导体研究所王智杰研究员撰写的综述文章“钙钛矿材料在太阳能水分解中的应用”,德国汉诺威莱布尼兹大学丁飞教授撰写的综述文章“基于应变可调谐量子点的非经典光子源”,以及赵超教授的“用于硅基光电器件的掺硼III-V半导体”的综述文章跟随了王占国院士的主要研究方向,并介绍了半导体材料和器件研究的最新进展。

我们希望本专刊可以促进学术交流,推进半导体科学发展,并庆祝王占国院士从事科研工作60周年。

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1.全无机钙钛矿的可控制备及光电性能研究进展

作为近年来最热门的明星材料之一,钙钛矿材料成功吸粉无数,相关应用研究在多种领域内开花结果。因具有较窄的发射光谱、可调的光学带隙、较高的发光量子效率及可溶液加工性能等独特优势,钙钛矿纳米晶在太阳能电池及发光显示等领域均具有巨大的发展潜力。特别地,全无机钙钛矿纳米晶由于其较好的光电特性自2015年首次报道以来,目前已在光电子器件领域展现出巨大的应用潜力。

最近,北京交通大学唐爱伟课题组对全无机钙钛矿纳米晶CsPbX3及其类似物的现有合成策略进行了全面详细的总结,重点介绍了反应温度、反应时间、表面配体等重要反应参数对所得CsPbX3纳米晶相貌结构及性质的影响。本文还总结了提升全无机钙钛矿纳米晶稳定性的多种方法及其在光电子器件领域所取得的主要应用进展。此外,本综述还概括了全无机钙钛矿纳米晶存在的许多问题与挑战,如铅元素带来的对人体和环境的危害及其光热稳定性等。最后,本综述对全无机钙钛矿材料在未来光电应用领域中面临的挑战与机遇进行了展望,并提出了相应的解决方案。

Progress on the controllable synthesis of all-inorganic halide perovskite nanocrystals and their optoelectronic applications

Yi Yuan, Aiwei Tang

J. Semicond. 2020, 41(1): 011201

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/011201

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2.用于硅基光电器件的掺硼III-V半导体

硅衬底上的光电器件制备不仅对光电集成而且对低成本激光器和大面阵探测器不可或缺。虽然硅衬底上III-V族半导体的键合发展多时,但其散热问题以及复杂的制备工艺阻碍了其发展。硅衬底上III-V族半导体材料和器件的直接异质外延通常需要通过生长复杂的缓冲层和中间层来进行。与此同时,含硼III-V族半导体有可能与硅晶格匹配,因而是一个有吸引力的领域。由于其生长的高难度,这一领域发展相对缓慢。本文中德国亚琛工业大学赵超教授等总结了近年的一些进展,其生长条件和机理、表面形貌、结晶度和光电性质都得到讨论。本文也提到了开发其潜力及应用的一些障碍和挑战。

随着进一步的发展,这一材料体系将在III-V族衬底和硅衬底上的近红外和中红外激光器和探测器领域找到应用,这对硅基的光电集成至关重要。基于此,含硼III-V族半导体在多领域,例如无人驾驶和生物检测等,都将有巨大的应用潜力。

图1. III-V半导体材料体系带隙能量与晶格常数的关系

Boron-doped III–V semiconductors for Si-based optoelectronic devices

Chao Zhao, Bo Xu, Zhijie Wang, Zhanguo Wang

J. Semicond. 2020, 41(1): 011301

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/011301

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3.钙钛矿材料在光解水中的应用

光解水是解决当前能源和环境问题的最理想方式之一,然而成本和效率问题极大的阻碍了其产业化进程。在已开发的光催化体系中,基于钙钛矿材料(如SrTiO3, BiFeO3,BaTiO3等)的光催化体系越来越受到人们的关注,主要由于钙钛矿材料具有高稳定性、高催化活性、优越的结构灵活性和简易性(图1),从而可以方便的调控材料的化学成分、构型和能带结构,最终设计和构建高效的光催化材料和体系。因此,设计和开发基于钙钛矿材料的光催体系,逐渐成为推进光解水产业化进程的一种理想的途径和研究的热点。

图1.钙钛矿材料晶胞的结构示意图

钙钛矿作为理想的光催化材料虽然具有很多优势,但是大部分材料的带隙都比较宽,从而很难响应占太阳光能量约95%的可见光和红外光,这极大的限制了体系对太阳能的利用率和整体的催化性能。因此,开发基于钙钛矿材料光解水体系的改性策略,从而优化影响光催化反应的三个关键过程,即体系中光生载流子产生能力、分离和迁移能力、以及驱动表面催化反应的能力,一直是该领域研究的核心和关键。

基于此,中科院半导体研究所王智杰研究员等重点围绕调控材料的化学成分,晶体结构和构型调控,利用材料的铁电性质,构建异质结结构,构建基于等离基元效应的光催化体系五个方面,系统总结了当前基于钙钛矿材料光催化体系的改性策略和最新进展。此外,针对当前研究中面临的核心问题,本文也归纳了解决的策略和未来的研究方向。具体为:

(1)钙钛矿材料中A, B和X位点元素的选择和掺杂,被认为是调控材料带隙从而提升其光催化性能的一种有效策略,然而较低的光吸收能力仍然是阻碍体系整体性能的一个重要问题。因此,开发高效精密的实验技术来精确控制元素掺杂的位置、种类和浓度非常必要,同时协同掺杂金属和非金属元素来调控材料的能带结构和光催化性能,也是未来值得探索的方向。

(2)表面工程、晶体结构和材料构型工程、以及构建异质结已被证明是提升体系催化性能的有效策略。然而,这些改性策略的内在机理和复合体系内不同组分间的作用机理依然没有完全澄清,因此,开发新的实验手段和理论计算方法来揭示这些问题,从而指引基于钙钛矿光催化体系的设计和开发也是未来研究的一个有效方向。

(3)光催化分解水产生氢气和氧气存在一个激活的势垒,而大部分钙钛矿材料都具有较宽的带隙,因此设计和开发具有适宜的带隙,并且能够高效全解水的光催化材料,仍然面临着巨大的挑战,而协同利用不同改性策略和开发先进的材料合成技术将是一个有效的解决思路。

(4)除了开发高效的光催化材料和体系外,深入探索材料和体系的催化反应机理也是一个需要关注的问题,这将有利于为设计和开发高效光催化材料和体系提供指导和方向,因此,需要开发更有效的实验和计算方法来解决这些问题。

The application of perovskite materials in solar water splitting

Yanbin Huang, Jun Liu, Yanchun Deng, Yuanyuan Qian, Xiaohao Jia, Mengmeng Ma, Cheng Yang, Kong Liu, Zhijie Wang, Shengchun Qu, Zhanguo Wang

J. Semicond. 2020, 41(1), 011701

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/011701

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4.基于应变可调谐量子点的非经典光子源

在过去的几十年当中,自组织半导体量子点作为单光子源以及纠缠光子源而受到量子光学领域研究人员的广泛关注。研究成果有希望应用于众多量子技术发展,例如量子中继器,量子计算,量子加密以及量子测量等方面,因此具有极高的研究价值。相比于基于非线性光学晶体中自发参量下转换的量子光源,量子点的主要优势在于其按需生成光子的独特性质,允许同时实现真正的高单光子纯度和光源效率。光量子信息的许多应用中要求量子光源同时具有高品质(高亮度,单光子高纯度,高保真度等)和多源间性能完全一致(不可分辨性)。然而正如“没有两片雪花是完全一样的”,利用分子束外延技术生长的半导体量子点同样面临着由于各个量子点本身特征区别所导致的发光性能差异上的挑战,因此成为过去的20多年以来世界众多课题组试图攻克的难题。

德国汉诺威莱布尼兹大学丁飞教授课题组在过去十年间致力通过压电陶瓷施加应力从而优化半导体量子点光源性能。研究取得了一系列重要成果,其中包括:(1)利用在双轴压电陶瓷材料[Pb(Mg1/3Nb2/3)O3]0.72-[PbTiO3]0.28(简称PMN-PT)施加一定电压下从而产生面内各项同性应力的性质,对包含InGaAs/GaAs量子点的纳米薄膜进行应力拉伸,实现了在5 K低温环境中量子点发光波长的精确调控。实验验证除了电场,磁场,热退火等一系列复杂或者不可逆方法以外的另一种借由应力灵活调控量子点发光性能的可能性;(2)利用含带p-, n-掺杂GaAs层结构的量子点薄膜样品,配合单/双轴PMN-PT所产生的面内单/双轴方向应力,分别实现了在电注入激发下对量子点的能级精细结构劈裂和发光波长的调控。是目前世界上极少数实现电注入量子点纠缠光源的工作之一;(3)结合分子束外延生长与应力对量子点能级结构的影响,与合作者一起验证了轻/重空穴的能带交换以及轻空穴与电子结合产生的激子发光;(4)将压电陶瓷PMN-PT在外加电压下产生面内应力对量子点纳米薄膜实现调控的方法引入到含带量子点的纳米线结构,开辟了应力调节技术在半导体纳米工艺研究的发展空间;(5)借助于利用PMN-PT薄膜制备的片上应力调控MEMS,达到对于量子点能级精细结构劈裂和发射波长的各向异性调控效果。证明了通过应力精准调控可以同时实现光源高保真度和多光源间发射波长不可分辨;(6)在双量子点光源干涉实验中引入应力反馈调控机制,结果进一步证明了可靠的的应力调节技术有希望推动量子点光源应用于未来的量子信息科学。本文总结这些工作,希望为后续的研究提供参考借鉴。

结合目前压电陶瓷应力对于量子点性能的调控技术取得的研究成果,我们认为接下来该技术可以发展的方向主要体现在两个方面,分别是面向实际和在其他材料领域内的应用。在技术面向实际应用的方面,可以继续发展例如应力的阵列结构继而对批量单个量子点或者纳米结构进行调控。在另一方面,应力调节技术也可以作为可行的方法应用于其他材料领域的发展与优化,例如半导体色心,二维材料和高分子等等。

丁飞小组近几年工作的思路/主线以及主要结果总结。创造性地利用外应力场来调制单量子点的光学性质,从而解决量子点单光子源和纠缠光子源的几个主要关键挑战。利用三种不同的应力调节平台,对量子点可以施加双轴应力,单轴应力甚至是平面内可控的各向异性应力。图左的红线示意光子偏振的方向(8字型的长轴指向)以及精细结构的大小(8字型代表比较大的FSS,从而量子点不能发射纠缠光子;O字型代表FSS为零,量子点可以发射偏振纠缠光子对)。丁飞小组开创的量子点应力调节研究方向在近年来得到了同行的高度认可。

Strain tunable quantum dot based non-classical photon sources

Jingzhong Yang, Michael Zopf, Fei Ding

J. Semicond. 2020, 41(1): 011901

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/011901

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5.SnO2:Sm纳米线中与表面陷阱相关的非易失性电阻开关记忆效应

微电子器件发展到纳米尺度,芯片的特征尺寸越来越小,传统的光电子器件制备技术面临着巨大挑战,一维纳米线双端器件的光电性能研究显得非常重要。另外具有记忆功能材料和器件的制备,以及可循环擦写的非易失性传感及写入型存储器的设计是目前高性能存储器发展的重要方向。

南昌大学材料科学与工程学院程抱昌教授等利用SnO2:Sm纳米线制备双端存储器件,通过调控其表面态,得到有效的非易失性电阻开关转换存储器。这种双端存储器件在相对较大的循环偏置电压下,存在两个对称滞后环路,器件具有电阻转换特征。如下图所示,我们研究了研究单个基于纳米线的设备与电阻转换相关的存储特性,通过连续循环测试了读取、写入和外检性能。紫色曲线表示加载电压,红色曲线对应于电流的响应。图 b 显示了图 a 中虚线框的放大视图,可以显示详细的读取、书写和洗去过程。读取、写入和去除了电压分别设置为 ±6.5、±10 和 -10 V。施加 ±10 V 电压后,器件电阻在 +6.5 V 读取电压下降低,相反,在施加 -10 V 电压后,器件电阻会增大。在6.5 V的读取电压下,器件电流的开/关比约为230。此外,高阻态和低阻态之间的转换速度非常快。说明这种纳米线双端存储器件能有效实现信号的读写擦除特性,且具有非易失性电阻转换特性。

这种非易失性电阻转换存储器件,不需要引入外界其他条件可以通过直接调控其表面态而实现。器件制备简单又便宜。团队未来的工作是利用这种非易失性电阻转换存储器件新颖的特性,用于信息存储,制备高性能的非易失性存储器。

Surface traps-related nonvolatile resistive switching memory effect in a single SnO2:Sm nanowire

Huiying Zhou, Haiping Shi, Baochang Cheng

J. Semicond. 2020, 41(1): 012101

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/012101

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6.高功率、小尺寸的量子级联超辐射发光二极管的研制

量子级联超辐射发光二极管在众多应用领域(如生物医学成像、气体探测和红外对抗等)展现出巨大的应用前景。特别地,在生物医学领域中,量子级联超辐射发光二极管是中红外光学相干层析成像(OCT)系统的核心光源。相比于近红外OCT系统而言,中红外系统在很多物质的检测方面更具有敏感性和特异性。然而,量子级联材料基于子带间跃迁的发光模式使其自发辐射效率较低,要获得高功率、宽光谱、可满足实际应用需求的中红外超辐射发光二极管具有非常大的挑战。

中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸研究员等基于四阱耦合和双声子共振结构的量子级联材料,结合仿真模拟设计出了新颖的紧凑型三段式波导结构,不同结构参数的器件示意图和模拟结果如图1(a)-(c)所示。成功研制了输出功率为1.8 mW、光谱宽度为79 cm-1的中红外量子级联超辐射发光二极管。同时这种器件结构紧凑亦有利于形成阵列结构器件来进一步提高输出功率,为中红外宽光谱光源的实际应用向前迈出了一大步。

图1 三段式波导结构器件示意图(左边)和不同器件波导中电场分布模拟结果(右边)

Quantum cascade superluminescent light emitters with high power and compact structure

Jialin Sun, Chuncai Hou, Hongmei Chen, Jinchuan Zhang, Ning Zhuo, Jiqiang Ning, Changcheng Zheng, Zhanguo Wang, Fengqi Liu, Ziyang Zhang

J. Semicond. 2020, 41(1): 012301

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/012301

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7.一步转换法制备高性能三层石墨烯饱和吸收镜

由于超快激光具有较高的时间分辨和极短的脉冲时域宽度,它在科学研究和工业制造等领域具有广泛的应用,如光通信,光谱学,传感,材料和信号处理等方面。目前,超快激光器实现方法主要通过主动和被动锁模技术。主动技术需要引入有源器件,如调制器。相比而言,被动调锁模技术是利用饱和吸收体的非线性饱和吸收作用来实现超快激光,具有成本低,结构紧凑等优点。

由于石墨烯具有超快的间接载流子弛豫和超宽带波长吸收,它可作为一种可饱和吸收体(SA),被广泛应用于超短脉冲光纤激光器中。然而,在单层石墨烯层堆积过程中,不同石墨烯层界面之间会产生非均匀接触从而会降低器件性能。因此,中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张子旸研究员等报告了通过一步转移过程制备石墨烯可饱和吸收镜的方法,从而提高石墨烯层界面接触的均匀性,得到了三层石墨烯(TLG)比单层石墨烯(SLG)具有更大的调制深度和较低的非饱和损耗。如图一所示,基于三层石墨烯可饱和吸收镜的1550 nm锁模掺铒光纤激光器具有良好的输出特性,其最大输出功率为9.9 mW,斜率效率为2.4 %,脉冲宽度为714 fs。该发现有望为基于石墨烯可饱和吸收体的高性能超短脉冲光纤激光器的发展铺平道路。

图1 实验结果:(a)输出功率vs.泵浦功率。(b)输出光谱。(c)脉冲序列。(d)锁模激光器射频光谱。插图为测试范围为11.1MHz的射频光谱。(e)自相关轨迹。

Realization of high-performance tri-layer graphene saturable absorber mirror fabricated via a one-step transfer process

Cheng Jiang, Xu Wang, Jian Liu, Jiqiang Ning, Changcheng Zheng, Xiaohui Li, Ziyang Zhang

J. Semicond. 2020, 41(1): 012302

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/012302

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8.基于GaAs太阳电池的纳米球表面阵列

GaAs半导体材料是一种重要的光电材料,由于它的直接带隙和高载流子迁移率等优良特性,该材料通常用于制造高效太阳能电池。众所周知,可以利用表面织构化减少表面反射来提高太阳能电池对光的吸收,从而提高电池的转换效率。近年来,各种表面织构化用于高效太阳电池制作中,比如有蜂窝状,金字塔形,倒金字塔形和V形沟槽结构。但是,这些方法不能应用于GaAs太阳能电池表面织构化。一方面与硅相比,其晶面在<001>表面上,不能自发产生表面锥体结构。另一方面GaAs表面复合较大,如果直接刻蚀表面,会引起较大的表面复合。另外,通过等离子等技术实现周期性表面阵列,会进一步增加了生产成本。因此,在GaAs太阳能电池的表面制作具有简单,方便的减反射的表面织构化结构仍然是一个挑战。我们发现可以通过自组装方法在GaAs的表面材料沉积一层具有周期性结构的纳米球阵列,基于纳米球阵列对光的散射及衍射作用,可以明显增加光子在电池内的传播路径。此外,纳米球还可以根据需要易于改变几何参数等优点,从而方便制作,并且该方法是构建二维周期性结构的最简单方法之一。

在这项工作中,浙江工业大学信息工程学院彭银生教授等对二维纳米球表面阵列对GaAs太阳能电池特性影响进行了理论仿真和分析。研究发现纳米球的材料,大小及分布是影响太阳能电池转换效率的关键参数。结果表明,相邻纳米球(D)的距离对转化效率影响很大,当D从0到1 μm变化时,转化效率降低超过2%,最低转换效率<18%,但当d>2 μm时几乎保持不变,具有较差的制作容差性。纳米球的半径(R)表现出很好的制作容差性。例如对于D=0,纳米球半径在0.3 μm至1.2 μm非常宽的变化范围内,效率变化不到1%,并且太阳能电池仍然表现出非常高的转换效率(>20%)。我们还发现,在最佳折射率(n=2.1)附近,材料的选择有很好的容差性,材料折射率在±24%的变化内,电池效率变化仅约0.2%。以上研究表明不需要高精度的加工设备,纳米球阵列可以使用自组装化学方法进行制作完成。本工作不仅可以应用于GaAs太阳电池上,也可以用于其它材料太阳电池上,对于制作各种太阳电池减反射膜具有一定的指导作用。

图1 纳米球阵列GaAs太阳电池原理图

Nano-sphere surface arrays based on GaAs solar cells

Yinsheng Peng, Shufeng Gong, Kai Liu, Minghai Yao

J. Semicond. 2020, 41(1): 012701

doi: 10.1088/1674-4926/41/1/012701

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(来源:半导体学报公众号)



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