GaN基半导体新热点:从半导体照明到功率电子器件

Ⅲ族氮化物(又称GaN基)宽禁带半导体属于新兴的第三代半导体体系,在短波长光电子器件和功率电子器件领域具有重大应用价值。过去10多年,以蓝光和白光LED为核心的半导体照明技术和产业飞速发展,形成了对国家经济和人民生活产生显著影响的高技术产业。近年来GaN基功率电子器件受到了学术界和产业界的高度重视,形成了新的研发和产业化热点。首先介绍了半导体照明技术和产业的发展历程和现状,分析了当前GaN基LED芯片技术面临的关键科学和技术问题;然后重点介绍了GaN基微波功率器件和电力电子器件的发展历程和动态,包括微波功率器件已经取得的突破性进展和产业化现状,电力电子器件相对Si和SiC同类器件的优势和劣势,并对GaN基功率电子器件当前面临的关键科学和技术挑战进行了较详细的分析。     

半导体材料的华丽家族—氮化镓基材料简介

GaN基氮化物材料已成功地用于制备蓝,绿,紫外光发光器件,日光盲紫外探测器以及高温,大功率微波电子器件,由于该材料具有大的禁带宽度,高的压电和热电系数,它们还有很强的其他应用潜力,诸如做非挥发存储器以及利用压电和热效应的电子器件等,在20世纪80年代末和90年代初,在GaN基氮化物材料的生长工艺上的突破引发了90年代GaN基器件,特别是光电子和高温,大功率微波器件方面的迅猛发展,文章评述了GaN基氮化物的材料特性,生长技术和相关器件应用。     

大失配、强极化第三代半导体材料体系生长动力学和载流子调控规律

高质量氮化镓(Ga N)材料是发展第三代半导体光电子与微电子器件的根基。大失配、强极化和非平衡态生长是Ga N基材料及其量子结构的固有特点,对其生长动力学和载流子调控规律的研究具有重要的科学意义与实用价值,受到各国科学界与产业界广泛高度重视。本文对大失配、强极化氮化物半导体材料体系外延生长动力学和载流子调控规律进行了研究,旨在攻克蓝光发光效率限制瓶颈,突破高Al和高In氮化物材料制备难题,实现高发光效率量子阱和高迁移率异质结构,制备多波段、高效率发光器件和高频率、高耐压电子器件,实现颠覆性的技术创新和应用,带动电子材料产业转型升级。     

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.     

漫谈半导体材料及异质结器件

半导体材料与器件在当代信息社会中扮演着核心角色,相关产品几乎渗透了人类生活的各个角落。文章简要回顾了半导体的研究历史,介绍了半导体材料与相关应用,阐述了半导体异质结器件的工作原理,并展示了半导体自旋电子学及低维窄禁带半导体纳米结构的研究现状与发展前景。     

基于GaN基HEMT结构的传感器件研究进展

GaN基高电子迁移率晶体管(HEMT)具有异质结界面处的高二维电子气(2DEG)浓度、宽禁带、高击穿电压、稳定的化学性质以及高的电子迁移率,这些特性使它发展起来的传感器件在灵敏度、响应速度、探测面、适应恶劣环境上具备了显著的优点。本文首先围绕GaN基HEMT的基本结构发展起来的两类研究成熟的传感器,对其结构、工作机理、工作进展以及优缺点进行了探讨与总结;而后,着重从改变器件材料及优化栅结构与栅上材料的角度,阐述了3种GaN基HEMT新型传感器的最新进展,其中,从材料体系、关键工艺、探测结构、原理及新机理方面重点介绍了GaN基HEMT光探测器;最后,探索了GaN基HEMT传感器件未来的发展方向。     

第三代半导体Ⅲ族氮化物的物理与工程——从基础物理到产业发展的典范

以氮化镓(GaN)为代表的Ⅲ族氮化物属于宽禁带半导体,即通常所谓"第三代"半导体材料。作为Si、Ge以及传统Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体之后的新一代半导体材料,GaN具有更大的禁带宽度、更高的击穿电场、更稳定的物理化学性质等优异特性,已经成为半导体研究极为重要的领域和国家重大研究方向。尽管Ⅲ族氮化物的晶体质量与传统半导体材料相比仍然有很大差距,但并不妨碍Ⅲ族氮化物及其量子结构在光电器件及电子器件中的广泛应用,围绕GaN及其他相关氮化物半导体的研究和开发,在物理与工程方面都具有极为特殊的意义,是基础物理研究和产业化应用结合的典范。     

异质结构在光伏型卤化物钙钛矿光电转换器件中的应用

钙钛矿材料由于具有长的载流子扩散长度、较高的吸收系数和较低的缺陷态密度等优点在太阳电池、光电探测器、发光二极管等光电转换器件领域得到广泛应用.同时,层状二维材料、低维半导体纳米结构、金属纳米结构和绝缘材料等功能材料因它们特殊的化学、电学和物理性质而越来越受到人们的关注.为了拓宽钙钛矿材料在光电转换器件的应用,可将钙钛矿与这些功能材料进行组合,形成异质结构,集成两种材料的优点.钙钛矿/功能材料异质结构可作为界面修饰层、电荷传输层、封装层等应用于卤化物钙钛矿光电转换器件中,用来抑制光生载流子的复合损耗,提升载流子的传输性能,改善器件的稳定性等.本文综述了钙钛矿与层状二维材料、低维半导体纳米结构、金属纳米结构和绝缘材料等形成的异质结构在光伏型光电转换器件中应用的最新研究进展,并对该方向未来的发展做出了展望.     

二维NiBr2单层自旋电子输运以及光电性质

磁性半导体材料在自旋电子器件领域具有重要的应用前景.本文设计了一些基于磁性半导体NiBr₂单层的纳米器件结构,并采用密度泛函理论结合非平衡格林函数方法,研究了其自旋输运和光电性质.结果表明,在不同的输运方向(扶手椅形和锯齿形),NiBr₂单层PN结二极管表现出明显的整流效应及自旋过滤效应,这两种效应在其亚3 nm PIN结场效应晶体管中也同样存在.NiBr₂单层PIN结场效应晶体管的电子传输受到栅极电压的调控,电流随着栅极电压的增大受到抑制.另外,NiBr₂单层对蓝、绿光有较强的响应,其光电晶体管在两种可见光的照射下可以产生较强的光电流.本文研究结果揭示了NiBr₂单层的多功能特性,为镍基二卤化物在半导体自旋电子器件和光电器件领域的应用提供了重要参考.     

石墨烯应用于GaN基材料的研究进展

石墨烯具有优异的光学、电学、机械等特性,被视为新型材料的突破口;GaN基材料具有直接宽禁带、热稳定性强、高功率等性质,已经成为"继硅之后最重要的半导体材料"。将石墨烯与GaN基宽禁带半导体材料相结合,发挥两种材料体系的优势,将为光电子、微电子器件的发展带来新的契机。关于石墨烯与GaN基材料相结合的研究目前已经有所突破,本文简要概述了近年来石墨烯与GaN基材料接触机理方面和石墨烯应用于GaN基材料器件方面的进展状态。     

Rashba自旋-轨道耦合调制的单层半导体纳米结构中电子的自旋极化效应

利用现代材料生长技术纳米厚的半导体可以沿着良好的方向有序生长,形成层状半导体纳米结构.在这种半导体纳米结构中由于结构反演对称性破缺出现较强的自旋-轨道耦合,能有效消除半导体中电子的自旋简并,导致电子自旋极化效应,在自旋电子学领域中具有重要的应用.本文从理论上研究了单层半导体纳米结构中由Rashba型自旋-轨道耦合引起的电子自旋极化效应.由于Rashba型自旋-轨道耦合,相当强的电子自旋极化效应出现在该单层半导体纳米结构中.自旋极化率与电子的能量和平面内波矢有关,尤其是其可通过外加电场或半导体层厚度进行调控.因此,该单层半导体纳米结构可作为半导体自旋电子器件应用中的可控电子自旋过滤器.     

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.     

氮化镓在不同中子辐照环境下的位移损伤模拟研究

电子器件中的半导体材料经过中子辐照后产生大量位移损伤,进而影响器件性能,氮化镓(GaN)材料是第三代宽禁带半导体, GaN基电子器件在国防、空间和航天等辐射服役环境中具有重要应用.本文利用蒙特卡罗软件Geant4模拟了中子在GaN材料中的输运过程,对在大气中子、压水堆、高温气冷堆和高通量同位素堆外围辐照区四种中子辐照环境下GaN中的初级反冲原子能谱及加权初级反冲原子能谱进行了分析.研究发现:在四种辐照环境下GaN中初级反冲原子能谱中,均在0.58 MeV附近处出现不常见的"尖峰",经分析该峰为核反应产生的H原子峰,由于低能中子(n, p)反应截面较大,该峰的强弱和低能中子占总能谱的比例有关;通过对比四种中子辐照环境下GaN中初级反冲原子能谱分布可知,大气中子能谱辐照产生的初级反冲原子能量更低、分布范围更广,裂变堆能谱下较高能量的初级反冲原子的比例较大,大气中子和高通量同位素堆辐照环境下的初级反冲原子能谱与加权初级反冲原子谱形状更相似,结合核反应产物对电学性能的影响,高通量同位素堆外围辐照区更适合用于模拟GaN在大气中子环境下的辐照实验.该结果对GaN基电子器件在辐射环境下长期服役评估研究和GaN材料的反应堆模拟中子辐照环境实验研究具有参考价值.     

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。     

纳米晶粒团聚GaN纳米线A1(LO) Raman峰的非对称展宽

氮化镓(GaN)是一种直接带隙Ⅲ～Ⅴ族半导体化合物,具有较宽的禁带宽度(Eg=3.4eV),较高的热稳定性,以及抗辐照等特性[1-4],是制备近紫外和蓝光光电子器件、高速微电子器件的理想材料.制备低维纳米结构,研究其物理性质既是理解低维量子现象的要求,也是未来纳米电子器件发展的需要.近年来,很多小组已经通过不同的方法成功地制备出GaN纳米棒、纳米线等一系列一维材料.这些方法包括碳纳米管辅助的方法[5]、电弧放电的方法[6]、激光刻蚀的方法[7]、升华法[8]、高温分解法以及化学气相沉积(CVD)[9-15].其中CVD方法以其制备过程简单,制备材料晶…     

室温稳定的二维铁电材料：CuInS2P6 及其异质结构

二维铁电材料有助于实现半导体性质与非易失存储特性在微纳尺度上的有机结合,在高集成化电子器件、光电器件、能量收集、及机电耦合系统等领域展现出巨大的应用潜力。二维铁电材料的层状结构,保证了原子层间的可剥离性,为从理论和实验上探索超薄极限下的铁电性质提供理想的研究平台。考虑到二维磁性研究的低温瓶颈,二维铁电材料为实现铁性功能材料的高温器件化与实用化提供了新途径。在本文中,我们介绍了一种室温稳定的二维铁电材料：铜铟硫代磷酸盐(CuInP2S6)。该材料体系的科学内涵和应用前景,引发了新的研究热潮。在本文中,关于其较高的铁电居里转变温度、显著的压电响应、巨大的负纵向压电系数、可调谐的四重势阱铁电特性、以及基于该材料及其异质结构的器件研究,均有所涉及。我们还简要介绍了几种过渡金属硫代磷酸盐化合物材料体系(M^IM^IIIP2(S/Se)6)中的其他代表性材料。最后,我们关于二维铁电材料研究的未来发展方向进行了讨论。     

室温稳定的二维铁电材料:CulnS_2P_6及其异质结构（英文）

二维铁电材料有助于实现半导体性质与非易失存储特性在微纳尺度上的有机结合,在高集成化电子器件、光电器件、能量收集、及机电耦合系统等领域展现出巨大的应用潜力。二维铁电材料的层状结构,保证了原子层间的可剥离性,为从理论和实验上探索超薄极限下的铁电性质提供理想的研究平台。考虑到二维磁性研究的低温瓶颈,二维铁电材料为实现铁性功能材料的高温器件化与实用化提供了新途径。在本文中,我们介绍了一种室温稳定的二维铁电材料:铜铟硫代磷酸盐(CuInP_2S_6)。该材料体系的科学内涵和应用前景,引发了新的研究热潮。在本文中,关于其较高的铁电居里转变温度、显著的压电响应、巨大的负纵向压电系数、可调谐的四重势阱铁电特性、以及基于该材料及其异质结构的器件研究,均有所涉及。我们还简要介绍了几种过渡金属硫代磷酸盐化合物材料体系(M~IM~ⅢP_2(S/Se)_6)中的其他代表性材料。最后,我们关于二维铁电材料研究的未来发展方向进行了讨论。     

界面工程调控GaN基异质结界面热传导性能研究

GaN以其宽禁带、高电子迁移率、高击穿场强等特点在高频大功率电子器件领域有着巨大的应用前景.大功率GaN电子器件在工作时存在明显的自热效应,产生大量焦耳热,散热问题已成为制约其发展的瓶颈.而GaN与衬底间的界面热导是影响GaN电子器件热管理全链条上的关键环节.本文首先讨论各种GaN界面缺陷及其对界面热导的影响;然后介绍常见的界面热导研究方法,包括理论分析和实验测量;接着结合具体案例介绍近些年发展的GaN界面热导优化方法,包括常见的化学键结合界面类型及范德瓦耳斯键结合的弱耦合界面;最后总结全文,为GaN器件结构设计提供有价值参考.     

薄膜异质结及二维材料中的磁斯格明子

磁斯格明子因具有拓扑稳定、移动速度快、尺寸小、驱动电流密度低等优异性质引起了人们的广泛关注。它被视作未来超高密度磁存储和逻辑功能器件的理想信息载体。基于磁斯格明子的自旋电子学器件具有非易失、高读写速度、高存储密度以及低功耗的优势,从而能满足人们对高性能器件的要求。此外,拓扑性与磁性的结合使得磁斯格明子成为研究拓扑磁性物理的良好平台。文章简要介绍了磁斯格明子的发展概况及其拓扑物理性质,并着重讨论薄膜异质结及二维材料中磁斯格明子的研究进展,为今后进一步探索磁斯格明子相关研究领域抛砖引玉。     

新型硅基IV族合金材料生长及光电器件研究进展(特邀)

硅基IV族锗锡和锗铅合金材料带隙随组分可调,并可转变成直接带隙半导体材料,是研制硅基红外探测和发光器件的理想材料。本文首先介绍锗锡和锗铅材料外延生长工作,然后对锗锡光电器件的研究进展进行回顾和讨论。其中,随着锗锡合金中锡组分增加,锗锡光电探测器往高响应度和长探测截止波长方向发展;锗锡激光器的研究则集中在降低激射阈值、提高激射温度和电泵浦方面。本文还对锗铅材料和光电器件的研究进展进行简要介绍和展望。随着硅基高效光源和探测器研究的不断深入,IV族合金材料在硅基红外光电集成领域将继续展现重要的应用价值。