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。     

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.     

三元合金异质结InxGa1-xAs/InxAl1-xAs的价带带阶ΔEv值研究

三元合金异质结是异质结器件的重要材料,它广泛应用于微波和光电器件中。如组分x=0.3的合金异质结可用于研制高电子迁移率晶体管(HEMTs)、绝缘栅场效应晶体管(HIGFETs)和谐振隧道二极管(RTDs);组分x=0.53的三元合金异质结广泛应用于光电子的高速光电器件中。在决定量子阱、超晶格电子态的因素中,半导体异质结界面两侧价带带阶△E_v值(即valence-band offsets)是重要的物     

二维半导体材料的生长和光电性能研究

二维过渡金属硫族化合物纳米材料由于是不同带隙的半导体,同时有些在地球上储量丰富,受到人们广泛的关注.在本文中,介绍了用于二维材料场效应晶体管制备的光刻图形转移技术.该方法可以低成本、简单、有效地获得晶体管,同时对二维材料的损伤较小,可以获得高性能的二维材料晶体管;其次,介绍了Co掺杂MoS_2双层纳米片的生长及电学输运研究,可以通过控制生长过程中硫的浓度来改变纳米片的形貌,随着温度的升高,最终可以获得CoS_2/MoS_2六边形结构,电学测试表明Co掺杂MoS_2双层纳米片显n型,而CoS_2/MoS_2六边形结构具有很高的电导率;还介绍了垂直双层SnS_2/MoS_2异质结的气相生长及光电性能研究,这种异质结具有很大的带阶,能带结构呈现Ⅱ型,在异质结区域,出现了强烈的光致发光谱淬灭,这种异质结与相应的单体材料相比,具有增强的光电性能.最后,对二维材料的未来研究进行一些展望.     

二维材料异质结的可控制备及应用

二维材料异质结是由石墨烯、六方氮化硼、过渡金属二硫族化合物、黑磷等二维材料通过面内拼接或层间堆叠形成的,并由此可分为二维材料面内异质结和垂直异质结.二维材料面内异质结可以实现区域内载流子的特殊传输行为;而垂直异质结中的层间量子耦合效应能够导致新颖的物理特性,通过调节异质结构界面可调制器件的电学及光学性能.目前,随着电子器件、光电器件等对集成性、功能性的要求不断提高,二维材料异质结越来越多地受到研究者的关注,实现二维材料异质结结构(包括界面)的有效调控是构筑高性能、高集成器件的前提.本文主要对比各类二维材料异质结的制备方法,介绍主流的几类二维材料异质结基电子器件和光电器件的结构、工作原理和性能,展望有前景的新型制备方法,并指出二维材料异质结在实际应用中面临的挑战.     

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.     

拉曼光谱技术在二维半导体光催化剂异质结研究中的应用

高活性光催化剂的设计是高效利用太阳能的有效手段，其中二维(2D)半导体光催化剂因其独特的物理化学性质，在光催化研究中有着较大优势。构筑异质结具有改变二维半导体能带结构、抑制光生载流子复合等作用，是一种高效的二维半导体光催化剂的设计方法。拉曼光谱技术因其探测时间短、可原位、无损检测以及样品制备简单等优点，在半导体材料研究中的应用逐渐增多。文章介绍了拉曼光谱技术的基本原理，并对近年来二维半导体光催化剂设计的有关研究进行整理，综述了拉曼光谱技术在二维半导体光催化剂异质结研究中的应用，为新型二维半导体光催化剂的设计奠定了技术基础。     

磁性半导体

半导体材料是人们对其微观结构和宏观性质都研究得比较深入的一类材料.三十多年来,每种新的半导体材料的出现,常常伴随着新器件的发明和应用.比如,锗材料的研究及其制备工艺的成熟,促成了晶体管的发明和半导体工业的出现,硅材料的研究导致了晶体管制造工艺的改进和集成电路的问世;砷化镓材料的研究,则又伴随着体效应器件及半导体激光器的诞生,目前,在半导体领域中又有哪些材料值得注意呢?下面的三篇短文对其中的三种作了简要的介绍.     

高迁移率聚合物半导体材料

作为有机场效应晶体管的重要组成部分,有机半导体材料对器件性能有着重要的影响.相对于小分子半导体材料而言,聚合物半导体材料因其具有更容易溶液加工、适用于室温制备等优势,得到了研究者的广泛关注和研究.从20世纪70年代至今,聚合物半导体材料及其光电器件均得到了突飞猛进的发展.经过研究者们的不断探索创新,各种结构新颖的聚合物半导体材料层出不穷,器件制备工艺也不断优化改进,使得聚合物场效应晶体管的载流子迁移率从早期的10–5 cm2 V–1 s–1提升到了如今的36.3 cm2 V–1 s–1,在聚合物场效应材料分子结构的设计合成方面积累了丰富的经验,同时其内在电荷传输机理也随着材料和器件性能的提高不断明朗.本文以分子结构作为切入点,分别从p型、n型及双极性3种载流子传输类型方面对近5年报道的高迁移率聚合物半导体材料进行了系统的总结与归纳,同时还简要分析了聚合物半导体材料中的电荷传输机制及优化方法,希望对研究者进一步设计和合成更高性能的聚合物半导体材料及器件构筑起到一定的指导作用.     

氧化镓异质集成和异质结功率晶体管研究进展

超宽禁带氧化镓(Ga₂O₃)半导体具有临界击穿场强高和可实现大尺寸单晶衬底等优势,在功率电子和微波射频器件方面具有重要的研究价值和广阔的应用前景.尽管Ga₂O₃材料与器件研究已取得很大进展,但其极低的热导系数和缺少有效的p型掺杂方法成为限制其复杂器件结构制备和器件性能提升的主要瓶颈.针对上述两大关键瓶颈,本文综述了利用异质材料集成的方法实现高导热衬底Ga₂O₃异质集成晶体管与基于p型氧化镍/n型氧化镓(pNiO/n-Ga₂O₃)异质结的Ga₂O₃功率二极管和超结晶体管的研究进展.采用离子刀智能剥离-键合技术实现的高导热衬底Ga₂O₃异质集成方案可有效解决其导热问题,碳化硅(Si C)和硅(Si)基Ga₂O₃异质集成晶体管展现出远优于Ga₂O₃     

仿生结构及其功能材料研究进展

种类繁多的生物界经过45亿年长期的进化其结构与功能已达到近乎完美的程度, 实现了结构与功能的统一, 局部与整体的协调和统一. 仿生设计原理为创造新型结构及功能材料提供了新的方法和途径, 向自然学习是新材料发展的重要源泉. 近年来, 仿生结构及其功能材料受到越来越多的关注, 本文结合作者课题组的相关工作, 就光子晶体材料、仿生空心结构材料、仿生离子通道、仿蜘蛛丝超韧纤维、仿生特殊浸润性表面、仿生高强超韧层状复合材料、仿生高黏附材料及其他仿生材料的研究现状进行简要的综述, 并概要展望了其发展趋势.     

低晶格热导率热电材料

热电材料能够实现热能和电能之间的直接相互转换，被视为具有广泛应用前景的清洁能源材料。热电材料的规模化应用主要受制于其较低的能量转换效率，因此提高材料的热电性能仍然是当前研究的重心。优化电输运性能和降低晶格热导率是提升热电性能的两条主要途径。相较于强关联的电导率和塞贝克系数，晶格热导率相对可以独立调控，因此如何获得低晶格热导率成为热电材料研究的热点。文章综述了利用晶体缺陷包括点缺陷、线缺陷、面缺陷、填隙原子等降低晶格热导率的方法及其声子散射机制，并对低维、低声速、低比热等热电材料的研究进展及其具有本征低晶格热导率的机制进行了介绍。     

工业源挥发性有机物治理功能材料研究进展

挥发性有机物(volatile organic compounds,VOCs)是大气中一类重要的污染物质,即使在低浓度下也会对人类的健康造成威胁。对VOCs的治理刻不容缓,而VOCs治理关键功能材料性能的优劣是整个VOCs治理技术的核心。文章总结了近年来用于吸附法、光催化法以及催化燃烧法治理VOCs的功能材料的最新科研成果,希望以此能够为将来VOCs治理材料的设计与研发提供一定的参考。     

拓扑量子材料的研究进展

拓扑量子材料近年来已经成为凝聚态物理领域研究的国际前沿课题。在过去的几十年中凝聚态物理学者对量子霍尔效应进行了广泛研究,提出了一种基于拓扑序的研究范式,并且将拓扑这一数学概念与能带理论相结合,成功将其引入到固体电子材料的理论、计算与实验研究之中。拓扑材料具有奇特的表面态和低能耗的电子输运等性质,这些效应是由于拓扑量子态受到严格的对称性保护,对于普通的材料杂质、缺陷或无序具有很高的鲁棒性,并可以通过量子调控或相变改变其拓扑性质。这一新兴研究领域为未来的电子材料和器件,乃至基于量子拓扑体系与计算的信息技术创新探索提供了多种可能。对整个材料学的发展而言,拓扑概念的引入使人们对物质的研究更加深入,并且开始使用更加先进的数学工具描述新材料的属性。文章从拓扑绝缘体和拓扑半金属等材料计算科学的角度探讨拓扑量子材料的一些基本概念以及近年来国内外的研究进展。     

熔盐电解制备难熔金属及合金的回顾与展望

 难熔金属及合金的制备一直以来是一个耗能、复杂且困难的冶金及材料制备过程。如何从复杂高熔点金属氧化物矿物中直接提取获得高价值金属及合金,是新时代冶金及金属材料制备领域的研究重点和难点之一。近年发展起来的新熔盐电脱氧技术,可望对这一困境带来解决途径。笔者对“传统”熔盐电解法制备难熔金属进行了回顾,分析其面临的难题;对Fray-Farthing-Chen(FFC)剑桥法为代表的新熔盐电脱氧方法进行介绍,并重点介绍和展望了本课题组改进的固体透氧膜(SOM)法在该领域的发展和前景。     

金属玻璃的过去、现在和未来

金属玻璃(又称非晶合金)是一类原子结构长程无序、短程有序的金属材料。它是通过急冷、高压、强变形、先进制造等现代技术工艺以及熵或序调控理念合成的，兼具金属、玻璃、液体、固体和软物质等物态特性的新型金属材料，也是玻璃家族的新成员。金属玻璃突破了金属材料原子结构有序的固有概念，颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路，把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有的高度。它对金属材料的研发、结构材料、绿色节能、磁性材料、催化、信息等领域产生深刻的影响，同时催生了准晶、高熵合金、复杂合金、高熵金属玻璃、非晶基复合材料等新金属材料体系，彻底改变了古老金属和玻璃领域的面貌。金属玻璃的发明和研究虽然只有不到百年历史，但已经在军工航天等高技术、绿色节能、信息电子器件、催化、防腐等领域有广泛的应用，也为研究材料科学、凝聚态物理、复杂体系中一些重要科学问题提供了独特的模型体系，并成为凝聚态物理的一个重要分支学科。文章回顾了近百年来金属玻璃研究和研发的历程，分析了当前该领域的前沿科学问题、发展方向、重要进展、机遇和挑战，以及在高新技术领域的应用，并探讨了金属玻璃及其相关领域如地外玻璃的发展前景。     

金属玻璃的过去、现在和未来

金属玻璃(又称非晶合金)是一类原子结构长程无序、短程有序的金属材料。它是通过急冷、高压、强变形、先进制造等现代技术工艺以及熵或序调控理念合成的，兼具金属、玻璃、液体、固体和软物质等物态特性的新型金属材料，也是玻璃家族的新成员。金属玻璃突破了金属材料原子结构有序的固有概念，颠覆了传统金属材料从成分和缺陷出发设计和制备的思路，把金属材料的强度、韧性、弹性、抗腐蚀、抗辐照等性能指标提升到前所未有的高度。它对金属材料的研发、结构材料、绿色节能、磁性材料、催化、信息等领域产生深刻的影响，同时催生了准晶、高熵合金、复杂合金、高熵金属玻璃、非晶基复合材料等新金属材料体系，彻底改变了古老金属和玻璃领域的面貌。金属玻璃的发明和研究虽然只有不到百年历史，但已经在军工航天等高技术、绿色节能、信息电子器件、催化、防腐等领域有广泛的应用，也为研究材料科学、凝聚态物理、复杂体系中一些重要科学问题提供了独特的模型体系，并成为凝聚态物理的一个重要分支学科。文章回顾了近百年来金属玻璃研究和研发的历程，分析了当前该领域的前沿科学问题、发展方向、重要进展、机遇和挑战，以及在高新技术领域的应用，并探讨了金属玻璃及其相关领域如地外玻璃的发展前景。     

石墨烯量子点在肿瘤诊断与治疗中的应用

传统的治疗方式存在诸多缺陷，促使肿瘤治疗的研究转向纳米技术方向。利用纳米技术能够开发和制备纳米尺寸的功能材料，并将其用于疾病治疗、诊断和成像剂等方面。石墨烯量子点作为兼具石墨烯片状结构和量子点发光性质的碳基纳米材料，具有低生物毒性、高荧光量子产生率、稳定的光致发光性和优异的生物相容性等优点，被广泛应用于催化、传感、生物成像、医学诊断以及肿瘤治疗等不同的领域，也因此成为生物医药材料的研究热点。结合石墨烯量子点的制备、性质和应用等，文章主要综述了石墨烯量子点在药物递送、光动力治疗、光热治疗以及荧光成像与示踪等肿瘤诊断与治疗方面的研究。     

热电材料的基本原理、关键问题及研究进展

热电材料是一种利用固体中载流子(电子和空穴)运动实现热能和电能直接相互转换的功能材料,在温差发电和便携式制冷等领域得到重要应用。目前,如何协调优化载流子和声子的输运性能,从而提高热电材料能量转换效率,使其在利用余热发电方面发挥更大应用价值是材料学家研究的主要目标。简要介绍了热电效应的基本原理,总结了热电材料发展中的诸多关键科学问题,从结构设计(原子结构、纳米结构以及微米结构)方面综述了近年来的主要研究成果,并强调了温差发电技术对解决当前环境污染和能源危机的重要意义。     

石墨烯量子点在肿瘤诊断与治疗中的应用

传统的治疗方式存在诸多缺陷,促使肿瘤治疗的研究转向纳米技术方向。利用纳米技术能够开发和制备纳米尺寸的功能材料,并将其用于疾病治疗、诊断和成像剂等方面。石墨烯量子点作为兼具石墨烯片状结构和量子点发光性质的碳基纳米材料,具有低生物毒性、高荧光量子产生率、稳定的光致发光性和优异的生物相容性等优点,被广泛应用于催化、传感、生物成像、医学诊断以及肿瘤治疗等不同的领域,也因此成为生物医药材料的研究热点。结合石墨烯量子点的制备、性质和应用等,文章主要综述了石墨烯量子点在药物递送、光动力治疗、光热治疗以及荧光成像与示踪等肿瘤诊断与治疗方面的研究。