宽禁带氧化锌半导体材料的未来与挑战

正第三代半导体材料具有宽禁带、高击穿场强、高激子束缚能、高饱和电子漂移速度的典型特征,在半导体照明、下一代通信技术、能源互联网、高速轨道交通、电力电子器件与新能源器件等领域应用广泛,已经成为未来半导体材料领域全球战略竞争新高地.近年来,美国、日本、英国、欧盟等国家和地区分别通过启动国家计划、设立国家创新中心等方式,持续加大对第三代半导体材料与器件的基础研究,不断推进其技术实现应用突破.自     

宽禁带半导体掺杂机制研究进展

随着电子信息技术进入后摩尔时代,人们期望探寻一些新材料、新技术以推进半导体科学技术的发展.作为新一代战略电子材料,宽禁带半导体的技术应用近年来取得了飞速发展.宽禁带半导体的掺杂与缺陷调控是实现其重要应用价值的关键科学基础.本文主要介绍了我们和合作者近期围绕碳化物、氧化物、氮化物宽禁带半导体中掺杂与缺陷机理及性能调控展开的研究工作,具体包括:(1)探究4H-SiC中本征缺陷的电学和动力学性质,解释了实验上4H-SiC的有效氢钝化现象的内在物理机制;(2)研究In₂O₃中过渡金属元素的掺杂物理性质,提出了过渡金属掺杂的设计原则,并预测过渡金属Zr、Hf和Ta在In₂O₃中具有优异的n型特性;(3)采用轻合金化法调控Ga₂O₃材料的价带顶位置,并通过选取合适的受主杂质(如Cu_Ga),有望使(Bi_xGa_1–x)₂O₃合金成为高效的p型掺杂宽禁带半导体(4)...     

氮化物半导体电子器件新进展

氮化物宽禁带半导体是实现大功率、高频率、高电压、高温和耐辐射电子器件的一类理想材料.基于氮化镓(GaN)异质结的高电子迁移率晶体管(HEMT)是氮化物电子器件的主流结构,该结构利用高电导率二维电子气实现强大的电流驱动,同时保持了氮化物材料的高耐压能力.近年来,GaN HEMT器件主要在微波功率和电力电子2个领域得到了快速发展.本文评述了GaN微波毫米波功率器件和高效电力电子器件的若干研究进展,并提出了氮化物电子器件仍存在的问题及解决方向.     

窄禁带半导体

所谓窄禁带半导体又称作窄能隙或窄带隙半导体.禁带宽度为多大才归入这一类,并没有严格界线.现在往往把导带底与价带顶之间的能量差相当于kT的室温(T=300 K)数值(0.026电子伏)的十倍,即禁带宽度为0.26电子伏或更小的半导体叫做窄禁带半导体.倘若禁带宽度为负值,也就是说导带与价带发生了轻微的重迭,则称为半金属.在窄禁带半导体与半金属之间还有一种零能隙材料。这三者在许多方面有着共同之处.     

重掺碳砷化镓的光致发光研究

异质结双极晶体管(HBT)利用宽禁带材料作发射区来允许基区重掺杂以减小基区电阻且不降低直流电流增益.基区重掺杂会干扰半导体的能带结构,从而影响器件的光学性质和电学性能.Klausmeier-Brown等通过电学测量已证实:由于基区重掺杂使得注入到AlGaAs/GaAs-HBT基区的电子电流显著增大,其原因归结为由重掺杂引起的禁带变窄使得n_0p_0乘积     

垂直氮化镓功率晶体管及其集成电路的发展状况

氮化镓作为第三代宽禁带半导体材料的代表之一,因其优越的性能,例如高电子迁移率、高电子饱和速率、耐高温及高热导率等优点吸引了越来越多的关注.也正是因为这些优点,垂直氮化镓功率晶体管在未来的电力电子领域中具有很大的发展和广泛的应用前景.本文列出了氮化镓材料和其他半导体材料主要的物理参数、氮化镓单晶制备及其外延生长的主要方法,阐述了氮化镓功率器件在目前环境下的优势.针对器件结构,列出了横向器件本身存在的问题和垂直器件的优点,解释了垂直器件为何能够成为未来功率器件的主流结构.在此基础上,详细介绍了氮化镓电流孔径垂直晶体管、垂直氮化镓沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管、基于原位氧化物氮化镓夹层的垂直沟槽金属氧化物半导体场效应晶体管和垂直氮化镓鳍式场效应晶体管的结构、工作原理、研究进展及所存在的一些问题,并将文中所提及的垂直氮化镓功率晶体管的性能参数按器件种类和时间顺序进行归纳为未来氮化镓功率晶体管的发展提出了大致的方向.针对集成电路系统,归纳了氮化镓功率器件在驱动芯片方面的特殊要求和关键技术.最后,针对当下的市场环境,列举了垂直氮化镓功率晶体管在中、低压范围内比较热门且发展前景较好的应用场景.     

新型半导体深能级掺杂机制研究

掺杂技术是现代半导体技术的核心之一.本文介绍了荣获2017年国家自然科学奖二等奖的项目,重点围绕宽禁带半导体材料、二维半导体材料的能带结构和器件,系统地研究了几类重要的半导体材料的深能级掺杂机制,并进行性能预测.主要创新工作包括:(1)提出了钝化共掺杂方法,增加了TiO_2的光催化效率;(2)发现了空穴导致非磁半导体中d~0铁磁性的新的物理机制;(3)为克服小量子系统掺杂瓶颈,提出通过共掺杂方法在材料中形成杂质能带,降低杂质电离能以提高载流子浓度;(4)对两类新型的二维半导体材料,即过渡金属硫化物以及石墨炔,发现了一系列新奇的物理现象和掺杂机理.这些工作对半导体掺杂理论的发展、新一代纳米器件和第三代半导体器件的结构设计以及性能预测将起到重要的指导作用.     

Ⅱ—Ⅵ族宽禁带半导体应变层超晶格的折射率测量

ZnS、ZnSe、ZnTe等宽禁带半导体材料构成的超晶格和量子阱结构可望在可见光光电子器件领域发挥重要作用,特别是它们可制成600—700nm光电子器件,在高密度光学信息系统中的应用,前景非常诱人。因此人们正加紧努力研制基于这种材料的光波导、激光器及光学     

核壳结构设计及界面键合实现氮化钽光阳极快速空间电荷分离

<正>光电催化(PEC)分解水是指在一定外加偏压下利用禁带宽度合适的半导体材料吸收太阳能产生电子-空穴对以驱动水的还原和氧化反应.自1972年Fujishima和Honda[1]首次报道Ti O2光阳极在紫外光和外加电压下实现水分解产生氧气和氢气以来,经过半个世纪的研究, PEC分解水已经发展成为将太阳能转化为可储存氢能的一种简便而有效的方法.     

ZnS-ZnSe应变层超晶格远红外反射谱研究

Ⅱ—Ⅵ族宽禁带化合物超晶格是最有潜力的制做短波长光电器件的半导体材料.ZnS-ZnSe、ZnSe-ZnTe应变层超晶格由于每层中含有较大的应力,因此有许多特殊的性质,已有许多人用Raman光谱法、光致荧光法研究这种超晶格.我们用远红外反射光谱方法研究这种超晶格材料的声子模.这种方法不仅可以方便地通过声子模的测量来检测微结构的质     

光电池染料敏化的研究进展

利用半导体作为光吸收器将可见光转换成电能一直受到重视.70年代,人们开发研制了高效硅光电池(固态光伏电池,光电转换效率达25%),在航空器上用于能量供给.以后,人们开始研制半导体液结光化学电池. 一般来说,用Si,GaAs,InP和WSe等半导体(带宽(1.3±0.3)eV)可制成高效液结太阳能化学电池.用Si,GaAs单晶制成光化学电池其光电转化效率可达15%以上,但其严重的光腐蚀性及高的价格限制了这种电池的应用.解决这一问题的办法之一就是使用具有良好的热稳定性和光化学抗腐蚀性的氧化物半导体作电极(如TiO_2,SrTiO_3).然而,氧化物半导体的宽禁带需高能光才能产生电子-空穴对,几乎难以利用太阳光.为了与太阳光相匹配采用了染料敏化半导体电极的方法,在这样的电池中,染料吸收可见光受激后把电子注入半导体导带产生光电流.光电池主要由吸附到半导体电极表面的敏化剂,含有中继电解质的溶液以及金属对电极组成.光敏化剂首先被激发,处于激发态的敏化剂将一个电子注入半电体的导带. 氧化态的染料敏化剂被中继电解质所还原,中继分子扩散     

联吡啶钌络合物敏化钠晶多孔TiO2薄膜电极光电性能研究

<正>用有机光敏染料敏化半导体电极,拓展其光谱响应,可以改进宽禁带半导体的光电转换性能。近来,Graetzel研究联吡啶钉络合物敏化纳晶多孔TiO₂薄膜,使光电转换效率大大提高,进一步证明这是提高半导体光电性能的一个非常有效的措施。联吡啶钌络合物有较强的可见光吸收,其氧化态稳定性高,是一种理想敏化剂。为设计、发展新型有机光敏体系、进一步提高敏化效果,本文研究联吡啶钌的空间结构因素和纳晶多孔TiO₂薄膜电极的表面处理改性对其敏化性能的影响。     

后摩尔时代晶体管：新兴材料与尺寸极限

在后摩尔时代,大规模半导体集成电路对功耗和集成密度的要求使得晶体管器件的开发需要在"材料、制程、结构"三个维度同步推进。文章详细梳理了近年来涌现的新兴低维半导体材料及异质结构,包括碳纳米管、过渡族金属硫属化合物、黑磷、碲烯和一维/二维范德华异质结等,并对其电学物理特性进行了深入的讨论,同时总结了这些材料在14nm工艺节点以下超短沟道晶体管和新结构晶体管器件方面的最新进展,最后从材料角度对半导体逻辑器件的进一步发展指出方向。     

后摩尔时代晶体管：新兴材料与尺寸极限

在后摩尔时代，大规模半导体集成电路对功耗和集成密度的要求使得晶体管器件的开发需要在“材料、制程、结构”三个维度同步推进。文章详细梳理了近年来涌现的新兴低维半导体材料及异质结构，包括碳纳米管、过渡族金属硫属化合物、黑磷、碲烯和一维/二维范德华异质结等，并对其电学物理特性进行了深入的讨论，同时总结了这些材料在14 nm工艺节点以下超短沟道晶体管和新结构晶体管器件方面的最新进展，最后从材料角度对半导体逻辑器件的进一步发展指出方向。     

联吡啶钌络合物敏化钠晶多孔TiO_2薄膜电极光电性能研究

用有机光敏染料敏化半导体电极,拓展其光谱响应,可以改进宽禁带半导体的光电转换性能。近来,Graetzel研究联吡啶钉络合物敏化纳晶多孔TiO_2薄膜,使光电转换效率大大提高,进一步证明这是提高半导体光电性能的一个非常有效的措施。联吡啶钌络合物有较强的可见光吸收,其氧化态稳定性高,是一种理想敏化剂。为设计、发展新型有机光敏体系、进一步提高敏化效果,本文研究联吡啶钌的空间结构因素和纳晶多孔TiO_2薄膜电极的表面处理改性对其敏化性能的影响。     

量子点敏化TiO2纳米管阵列光电极的制备研究取得新进展

窄禁带半导体量子点作为太阳能电池的敏化剂有许多优点:(1)可以通过控制量子点的尺寸调节能级结构,使其吸收光谱能够匹配太阳光光谱;(2)半导体量子点的固有偶极矩可以使电荷快速分离;(3)量子点吸收一个光子能够产生多个光生电子1),有望进一步提高光电转换效率.     

禁带宽度梯度化的半导体薄膜光电极的研究

为了得到光电化学性质稳定且具有宽的光吸收范围的光电极材料，给出了一种禁带宽度梯度化的氧化物半导体薄膜电极的设计。用溶胶凝胶法将不同V／Ti比的溶胶逐层涂于基板上，通过热处理得到了禁带宽度梯度化的Ti1-xVxO2薄膜电极。XPS结果显示所得薄膜中形成了组成梯度。这种Ti1-xVxO2薄膜电极的光电化学性质稳定，光生伏打约为360mV，可见光区具有明显的光电流。与纯的TiO2薄膜电极相比，Ti1-xVxO2薄膜电极的光电流起始电压正移了。这是由于电极表面富集的钒形成了电子空穴复合中心。Ti1-xVxO2的导带最低能级比TiO2的低可能是引起正移的另一原因。阻抗分析表明Ti1-xVxO2的受主密度比TiO2的高。     

半导体超晶格与量子微结构研究30年

半导体超晶格与量子阱系指对电子具有一维量子限制作用的多层超薄异质结人工材料,量子微结构泛指对电子具有二维和三维量子约束性质的量子线与量子点介观系统.这类低维体系的研究是近30年来半导体科学技术中,尤其是半导体物理学领域内一个发展最迅速的活跃前沿.它的研究兴起,不仅对信息科学技术,而且对低维物理、材料科学以及纳米技术的发展,正在产生着革命牲的影响.本文着重回顾与评述了30年来半导体超晶格与量子微结构在材料生长工艺、体系维度变化、物理效应产生以及新型器件应用等方面所取得的一系列重大进展,并对其在21世纪的发展作了初步展望.     

新颖的六角对称纳米花结构

据国家自然科学基金委员会2006年9月13日报道，9月1日，在英国《自然》杂志网站的纳米技术专栏上，来自中国科学院半导体所材料科学重点实验室关于宽禁带半导体氮化铟低维结构研究的科研成果，被作为研究亮点进行重点评论报道。     

微电子技术中的半导体薄膜材料

本文着重介绍了用于微电子技术的非晶态、宽带隙、纳米相、超晶格、量子微结构以及多孔硅等半导体薄膜材料，近年来在结构特征、物理性质以及器件应用等方面取得的某些新进展．并指出，原子组态的无序化，材料禁带的宽带隙化，能带剪裁的任意化以及人工结构的低维化和量子化，集中体现了半导体薄膜材料的发展特点。