半导体量子电子和光电子器件

本文阐述了半导体异质结构电子的量子特性 ,如电子波输运、库仑阻塞效应等。介绍了几种新颖、典型的量子电子器件和量子光电子器件的物理模型和基本原理。这些器件包括了单电子晶体管、共振隧穿二极管、高电子迁移率晶体管、δ掺杂场效应晶体管、量子点元胞自动机、量子阱红外探测器、埋沟异质结半导体激光器、量子级联激光器等。给出了作者在半导体量子器件物理方面的最新研究结果。     

半导体量子电子和光电子器件

本阐述了半导体异质结构电子的量子特性,如电子波输运,库仑阻塞效应等,介绍了几种新颖,典型的量子电子器件和量子光电子器件的物理模型和基本原理,这些器件包括了单电子晶体管,共振隧穿二极管,高电子迁移率晶体管,δ掺杂场效应晶体管,量子点元胞自动机,量子阱红外探测器,埋沟异质结半导体激光器,量子级联激光器等,给出了作在半导体量子器件物理方面的最新研究结果。     

基于聚合物共混的有机场效应晶体管光电性能研究

采用聚合物共混的方法制备了体异质结薄膜,将其作为光敏半导体层制备了有机场效应光晶体管.利用原子力显微镜表征了共混薄膜的分相情况,探究了器件提高激子解离效率的机理,并对比了聚合物共混前后有机场效应晶体管的光电性能变化和相分离情况.结果表明：制备的聚合物共混光晶体管在微弱光线条件下(0.038 mW/cm²,808 nm)具有较高的光敏性(为10⁶).通过共混聚合物半导体材料制备体异质结薄膜可以有效地提高激子解离的效率,通过双层绝缘层能进一步降低光晶体管的暗电流,从而提高器件的光敏性.     

n型掺杂半导体In/Nb-SrTiO3金属异质结变温J～V特性的研究

利用Nb替代Ti的导电Nb-SrTiO3(Nb-STO)衬底我们制备得到了Nb-STO/金属异质结并测量了异质结的J～V曲线.氧化物半导体Nb-STO/金属异质结的J～V曲线显示出与由Schottky势垒模型描述的理想半导体/金属二极管有很多不同.利用对数据拟合的结果,我们讨论了与理想半导体模型的差别.在Nb-STO作为新的氧化物半导体材料被引入器件时,偏离理想的半导体模型应该是正常的.     

基于双极性二维晶体的新型p-n结

二维晶体的特殊结构和新奇物理性能为构建新型纳米结构和器件,实现半导体领域的突破性进展提供了可能.本文首先介绍了双极性二维晶体的基本物理性能和相关范德瓦耳斯异质结的制备方法.在此基础上,主要综述了双极性二维晶体在新型电场调制二维晶体p-n结与异质p-n结以及非易失性可存储二维晶体p-n结等方面的应用、相关结构设计、电子和光电子等物理性能.然后进一步介绍了该类新型p-n结在逻辑整流电路、场效应光电子晶体管、多模式非易失性存储器、整流存储器、光电子存储器、光伏器件等方面的潜在应用.最后总结展望了该种新型p-n结在相关领域的可能发展方向.     

单载流子传输的双异质结光敏晶体管探测器的研究

基于器件仿真器Atlas, 建立了InP/InGaAsP单向载流子传输的双异质结光敏晶体管(UTC-DHPT)的二维模型, 分析讨论了器件性能与外延结构参数的关系. 设计出同时具有高响应度(≥17.93 A/W)和高特征频率(≥121.68 GHz)的UTC-DHPT, 缓解了传统的异质结光敏晶体管光电探测器中探测效率和工作速度的矛盾. 关键词： 单向载流子 光敏晶体管 电流放大倍数 响应度     

Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结二维电子气研究进展

半导体异质结在探索新奇物理和发展器件应用等方面一直发挥着不可替代的作用.得益于其特有的能带性质,相对较窄的带隙和足够大的自旋轨道耦合相互作用,Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结不仅在红外器件应用方面具有重要的研究价值,而且在拓扑绝缘体和自旋电子学等前沿领域引起了广泛的关注.尤为重要的是,在以CdTe/PbTe为代表的Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结界面上发现了高浓度、高迁移率的二维电子气.该电子气的形成归因于Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结独特的扭转界面.进一步的研究表明,该二维电子气体系不仅对红外辐射有明显响应,而且它还表现出狄拉克费米子的性质.本文系统综述了近年来Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结二维电子气研究取得的主要进展.首先对Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体异质结扭转界面二维电子气的形成机理进行了介绍;然后讨论该二维电子气在低温强磁场下的输运性质,并分析了它的拓扑性质以及在自旋器件方面的应用前景;最后,展示了基于该二维电子气研制的中红外光电探测器.     

基于碳纳米薄膜/砷化镓范德华异质结的高性能自驱动光电探测器研究

基于碳纳米材料/体半导体范德华(vdW)异质结的光电器件可以同时实现碳纳米材料的超高载流子迁移率以及体半导体的优异光电性能,且具有结构简单、工艺简便、易于调控界面等优点.尤其是通过调控单壁碳纳米管(SWCNT)的直径/手性、费米能级等可以与体半导体形成能带匹配、具有原子级界面的新型混合维度vdW异质结.本文报道了一种基...     

阿耳费罗夫（Alferof，Zhores I，1930-）俄国物理学家（Physicist，Russia）

阿耳费罗夫主要从事半导体异质结构方面的研究工作，因而导致异质结晶体管、发光二极管和双异质结半导体激光器的发明。异质结晶体管的工作频率比普通晶体管高100倍，噪声小，适合做微波晶体管、高速开关管和光电晶体管。阿耳费罗夫因这方面的成就，与克勒默（Kroemer）分享Y2000年诺贝尔物理学奖。他曾来我国访问，并被南京大学聘为名誉教授。     

异质结界面电荷对突变InP/InGaAs异质结双极晶体管热场发射影响研究

异质结界面电荷的存在改变了异质结的内建势, 这引起了界面势垒尖峰高度和形状的扰动, 从而使异质结界面载流子的输运产生相应的变化, 最终导致异质结双极晶体管 (HBT) 性能的改变. 基于热场发射-扩散模型, 对异质结界面电荷对InP/InGaAs HBT性能的改变做了研究, 得到结论是正极性的界面电荷有利于InP/InGaAs HBT的直流和高频特性的改善, 而负极性的界面电荷则使器件的直流和高频特性变差. 关键词： InP/InGaAs异质结双极晶体管 界面电荷 内建势 热场发射     

半导体量子器件物理讲座第三讲 异质结双极晶体管（HBT）

文章首先给出了同质结双极晶体管和异质结双极晶体管（HBT）在材料结构参数上的差异,这种差异表明,在器件的材料结构设计上已从掺杂设计步到了能带工程设计,和同质结双极晶体管相比,HBT具有更优越的性能,接着介绍了HBT的工作原理,典型的材料结构及器件的制作。     

未来最有希望的硅锗高速微电子器件—埋沟场效应晶体管

以前人们认为异质结双极型晶体管是硅锗新材料在微电子器件方面的最重要应用。根据最新的信息，指出这一器件具有很大的局限性，而正在崛起的硅锗ＭＯＳ场效应晶体管有可能是未来最有希望的高速器件。叙述了这种器件的物理基础、典型结构及性能。     

新型双异质结高电子迁移率晶体管的电流崩塌效应研究

针对传统单结GaN基高电子迁移率晶体管器件性能受电流崩塌效应和自加热效应限制的困境,对新型A1GaN/GaN/InGaN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管的直流性质展开了系统研究.采用基于热电子效应和自加热效应的流体动力模型,研究了器件在不同偏压下电流崩塌和负微分电导效应与GaN沟道层厚度的相关.研究发现具有高势垒双异质的沟道层能更好地将电子限制在沟道中,显著减小高电场下热电子从沟道层向GaN缓冲层的穿透能力.提高GaN沟道层厚度可以有效抑制电流崩塌和和负微分输出电导,进而提高器件在高场作用下的性能.所得结果为进一步优化双异质结高电子迁移率晶体管结构提供了新思路,可促进新型GaN高电子迁移率晶体管器件在高功率、高频和高温等无线通讯领域内的广泛应用.     

渐变耦合脊波导晶体管探测器光响应分析

为提高InP基光探测器的吸收效率和工作速度,设计了一种渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管探测器。采用有效折射率法和光束传播法,分析渐变耦合脊波导的光传输模式,优化后波导宽度和波导长度分别为2.6μm和250μm,可实现单模传输和高的光吸收效率。由于渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管光传输方向与载流子运动方向垂直,分别优化光敏晶体管的吸收效率和速度,器件输出光电流和特征频率均得到改善。渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度为33.83A/W,饱和输出光电流为90mA,最高特征频率达到87GHz,其饱和输出电流和特征频率相比于台面单载流子传输异质结光敏晶体管分别提高了20%和24%。但渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管吸收体积大,获得饱和电流时的光功率也比较大,因此渐变耦合脊波导单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度略小于台面的单载流子传输异质结光敏晶体管的响应度。     

有机体异质结太阳能电池的数值分析

介绍了一种有机体异质结太阳能电池的数值模拟方法,模型使用Onsager提出的成对复合理论,并结合了完善的无机半导体理论而提出来的,其结果与实验结果符合较好,证明了模型的正确性.在此基础上分析了器件的内建电场与工作温度对器件性能的影响,以及影响器件光电流的主要因素. 关键词： 有机太阳能电池 体异质结 数值分析     

高质量单层二硫化钼薄膜的研究进展

作为一种新型的二维半导体材料,单层二硫化钼薄膜由于其优异的特性,在电子学与光电子学等众多领域具有潜在的应用价值.本文综述了我们课题组在过去几年中针对单层二硫化钼薄膜的研究所取得的进展,具体包括:在二硫化钼薄膜的制备方面,通过氧辅助化学气相沉积方法,实现了大尺寸单层二硫化钼单晶的可控生长和晶圆级单层二硫化钼薄膜的高定向外延生长;在二硫化钼薄膜的加工方面,发展了单层二硫化钼薄膜的无损转移、洁净图案化加工、可控结构相变与局域相调控的方法,为场效应晶体管等电子学器件的制备与性能优化提供了基础;在二硫化钼异质结方面,研究了二硫化钼薄膜与其他二维材料形成的异质结的电学以及光电性质,为二维材料异质结的构筑和器件特性研究提供了实验参考;在二硫化钼薄膜功能化器件与应用方面,构筑了全二维材料、亚5 nm超短沟道场效应晶体管器件,验证了单层二硫化钼对短沟道效应的有效抑制及其在5 nm工艺节点器件中的应用优势;此外,利用制备的高质量单层二硫化钼和发展的器件洁净加工技术,实现了高性能柔性薄膜晶体管的集成,获得了超高灵敏度与稳定性的非接触型湿度传感器.我们在二硫化钼薄膜的制备、加工以及器件特性研究方面所取得的进展对于二硫化钼及其他二维过渡金属硫属化合物的基础和应用研究均具有指导意义.     

超结硅锗碳异质结双极晶体管机理研究与特性分析优化

提出一种超结硅锗碳异质结双极晶体管(SiGeC HBT)新结构.详细分析了新结构中SiGeC基区和超结结构的引入对器件性能的影响,并对其电流输运机制进行研究.基于SiGeC/Si异质结技术,新结构器件的高频特性优良;同时超结结构的存在,在集电区内部水平方向和垂直方向都建立了电场,二维方向上的电场分布相互作用大大提高了新结构器件的耐压能力.结果表明:超结SiGeC HBT与普通结构SiGeC HBT相比,击穿电压提高了48.8%;更重要的是SiGeC HBT器件中超结结构的引入,不会改变器件高电流增益、高频率特性的优点;新结构器件与相同结构参数的Si双极晶体管相比,电流增益提高了10.7倍,截止频率和最高震荡频率也得到了大幅度改善,很好地实现了高电流增益、高频率特性和高击穿电压三者之间的折中.对超结区域的柱区层数和宽度进行优化设计,随着柱区层数的增多,击穿电压显著增大,电流增益有所提高,截止频率和最高震荡频率减低,但幅度很小.综合考虑认为超结区域采用pnpn四层结构是合理的.     

异质结半导体激光器

异质结半导体激光器是半导体激光发展史上的重要突破，它的出现使光纤通信及网络技术成为现实并迅速发展。异质结构已成为当代高性能半导体光电子器件的典型结构，具有巨大的开发潜力和应用价值。     

异质结光晶体管

本文介绍了异质结光晶体管的工作原理,概述了GaAlAs/GaAs和InGaAsP/InP两种系列异质结光晶体管的研制现状.     

AlGaN/GaN双异质结F注入增强型高电子迁移率晶体管

理论模拟了不同GaN沟道厚度的双异质结(AlGaN/GaN/AlGaN/GaN)材料对高电子迁移率晶体管(HEMT)特性的影响,并模拟了不同F注入剂量下用该材料制作的增强型器件的特性差异.采用双异质结材料,结合F注入工艺成功地研制出了较高正向阈值电压的增强型HEMT器件.实验研究了三种GaN沟道厚度制作的增强型器件直流特性的差异,与模拟结果进行了对比验证.采用降低的F注入等离子体功率,减小了等离子体处理工艺对器件沟道迁移率的损伤,研制出的器件未经高温退火即实现了较高的跨导和饱和电流特性.对14 nm GaN沟道厚度的器件进行了阈值电压温度稳定性和栅泄漏电流的比较研究,并且分析了双异质结器件的漏致势垒降低效应.