纪念黄昆先生诞辰百年
编者按：
2019 年是世界著名物理学家、中国固体和半导体物理学奠基人之一, 黄昆先生诞辰100 周年. 黄昆先生不仅在固体物理领域取得了卓越的成就, 而且更重要的是,他花费了大量的精力为我国培养了大批半导体科技人才. 1956 年3 月, 我国集中了全国600 多位科学家,制定了12 年科学技术发展规划, 提出了“发展计算技术、半导体技术、无线电电子学、自动学和远距离操纵技术的紧急措施方案”. 同年暑假, 我国创办了第一个五校联合半导体专业, 黄昆先生任半导体教研室主任, 谢希德先生任副主任, 从此开启了我国自主培养半导体科技人才的新纪元. 经过了60 多年的发展, 我国半导体学科, 包括半导体材料、物理和器件等方面都取得了巨大的进步. 为纪念黄昆先生, 2019 年9 月1—3 日, 中国科学院半导体研究所、北京大学、中国物理学会和九三学社在北京西郊宾馆联合举办“纪念黄昆先生诞辰100 周年暨半导体学科发展研讨会”, 本刊特邀请部分与会专家撰写了半导体材料、物理和器件等领域的研究论文和综述文章, 组成专题. 本专题包括1 篇研究论文和10 篇综述文章, 分别来自中国科学院上海微系统研究所、长春光机所、半导体研究所、物理研究所和浙江大学、电子科技大学、南昌大学、东北师范大学、香港大学等单位的科研团队, 介绍了国内外半导体学科相关领域的最新进展和发展方向, 希望本专题的出版可以为我国半导体学科的学术交流和发展做一些贡献, 并以此来纪念黄昆先生百年诞辰.
2019, 68 (16): 168504.
doi: 10.7498/aps.68.20191262
摘要 +
忆阻器具有高密度、低功耗和阻值能够连续可调的特性, 被认为是模拟神经突触最具潜力的候选者. 而金属氧化物, 因其氧离子可迁移, 组分易于调控, 与传统CMOS兼容等优点, 是发展高性能忆阻器件的理想材料. 本文首先介绍了氧化物基忆阻器件阻变行为及其运行机制, 包括数字型和模拟型忆阻器. 主要综述了基于模拟型忆阻器实现的突触器件认知功能模拟, 包括非线性传输特性、时域突触可塑性、经验式学习和联合式学习等. 然后进一步介绍了忆阻型突触器件在模式识别、声音定位、柔性可穿戴和光电神经突触方面的潜在应用. 最后总结展望氧化物基忆阻神经突触在相关领域的可能发展方向.
2019, 68 (16): 168503.
doi: 10.7498/aps.68.20191044
摘要 +
在可见光范围内, 半导体发光二极管(LED)发展很不平衡, 黄光LED光效(光功率效率)长期远低于其他颜色光效. 本文基于GaN/Si体系, 从材料生长、芯片制造、器件物理和专用装备等方面进行了系统研究, 解决了外延膜龟裂、位错过多、量子阱应力过大、InGaN黄光阱材料相分离、空穴浓度不足、阱材料生长温度过低、衬底吸光、电极挡光等问题, 率先实现了高光效黄光LED关键性突破. 所研制的黄光LED器件, 在20 A/cm2驱动下波长565 nm黄光LED光效达26.7%, 对应164 lm/W; 在1 A/cm2驱动下波长577 nm黄光LED光效达42.8%, 对应248 lm/W. 基于高光效黄光LED, 开发了无荧光粉、多基色LED照明新光源, 实现了纯LED照明光源在路灯、氛围灯等方面应用.
2019, 68 (16): 163201.
doi: 10.7498/aps.68.20191002
摘要 +
偏振光探测在遥感成像、环境监测、医疗检测和军事设备等领域都具有很好的应用价值, 目前已经有一系列偏振探测和成像产品. 随着信息器件进一步小型化、集成化, 基于新型低维材料的偏振光探测器可以直接利用材料本征的各向异性对偏振光进行感知, 在未来偏振光探测领域有很好的应用前景. 很多二维/一维半导体材料, 例如: 黑磷, ReS2, GaTe, GeSe, GeAs及ZrS3等, 都具有较强的本征面内各向异性, 可以用于高性能偏振光探测器. 基于此类低维半导体材料设计的不同结构类型的偏振光探测器已经覆盖了紫外、可见以及红外等多个波段. 本文总结了近年来相关领域的研究进展和我们课题组的一些工作.
2019, 68 (16): 166301.
doi: 10.7498/aps.68.20191073
摘要 +
1950年黄昆先生与A. Rhys(里斯, 黄昆先生夫人, 中文名李爱扶)发表了F-中心的光吸收与非辐射跃迁理论的论文, 这一论文被公认为是处理电子-声子互作用在固体缺陷光吸收的先驱开创性量子理论工作, 其中首先由黄昆先生所推导和明确的一个用于表征电子-声子耦合强度的无量纲因子, 被广泛采用和推崇为黄-里斯因子(Huang-Rhys factor), 也被简称为S因子. 本文试图总结黄-里斯因子的物理内涵, 以及它在阐释几种固体有关光学性质中的关键作用, 包括在深缺陷中心发光以及带边浅杂质束缚激子发光中的支配作用. 研究发现, 在不同性质的固体材料中, 电子(激子)-声子耦合强度可以分为极弱耦合(黄-里斯因子远远小于1)、中等耦合(黄-里斯因子在1—5之间)以及强耦合(黄-里斯因子远远大于1)等几种情况. 限于篇幅及个人理解, 本文仅讨论GaN各种带边激子、二维单原子层半导体激子、无机卤族钙钛矿纳米晶片激子以及金刚石单晶中NV复合中心等极弱及中等强度耦合等几种情况, 以纪念黄昆先生诞辰百周年.
2019, 68 (16): 166801.
doi: 10.7498/aps.68.20191074
摘要 +
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.
2019, 68 (16): 167101.
doi: 10.7498/aps.68.20191239
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半导体电子结构的有效调控一直是人们长期关注的科学问题, 也是主流半导体材料物性与器件设计的核心科学问题之一. 传统栅极技术只能在小范围内改变半导体材料的带隙, 作者从理论上通过人工设计半导体极性界面, 产生约10 MV/cm的內建电场, 从而实现对Ge、InN等主流半导体带隙在0—2 eV范围内的有效调控, 并显著增强Rashba自旋轨道耦合强度, 作者进一步利用构建的多带 k.p 模型证明增强的Rashba自旋轨道耦合可以将常规半导体驱动至拓扑相. 文章重点介绍极性半导体InN的极性界面能隙调控; 以及IV族非极性半导体Ge的极性界面能带调控. 半导体极性界面的制备与主流半导体工艺兼容, 展现了极性界面在主流半导体量子结构的物性调控与光电器件中潜在的应用前景.
2019, 68 (16): 167301.
doi: 10.7498/aps.68.20191146
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随着金属-氧化物-半导体场效应晶体管(Metal-Oxide-Semiconductor Field Effect Transistor, MOSFET)特征尺寸不断减小，应变技术、新沟道材料和新器件结构等技术被学术界及产业界认为是继续提升器件性能的有效方法。本文从应变技术、新沟道材料和新结构器件三个方面研究载流子在输运中的散射机制：(1)应变技术：双轴拉伸应变能够改变载流子在不同能级之间的分布以及沟道的表面粗糙度，从而影响库伦散射和表面粗糙度散射；(2)新沟道材料：在不同晶面的锗(Germanium, Ge)晶体管中，电子在高场条件下的散射存在差异，声子散射在Ge(100)晶体管中占主导，而表面粗糙度散射在Ge(110)、(111)晶体管中占主导。在SiGe晶体管中，合金散射主要作用于有效电场强度比较小的区域；(3)新结构器件：载流子超薄绝缘层上锗(Germanium-on-Insulator, GeOI)晶体管输运时，会同时受到上下界面的影响，库伦散射和表面粗糙度散射随着Ge层厚度降低而增加。Ge层厚度的降低会改变电子在不同能谷间的分布，进而影响电子的散射。
2019, 68 (16): 167502.
doi: 10.7498/aps.68.20191114
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稀磁半导体兼具半导体材料和磁性材料的双重特性, 是破解摩尔定律难题的方案之一. 我们团队通过提出自旋和电荷分别掺杂的机制, 研制发现了一类新型稀磁半导体材料, 为突破经典稀磁半导体材料自旋和电荷一体掺杂引起的材料制备瓶颈提供了有效解决方案. (Ba,K)(Zn,Mn)2As2(BZA)等新型稀磁半导体通过等价掺杂磁性离子引入自旋、异价非磁性离子掺杂引入电荷, 实现了230 K的居里温度, 刷新了可控型稀磁半导体的居里温度记录. 本文重点介绍1)几种代表性的自旋和电荷掺杂机制分离的新型稀磁半导体的发现与研制; 2)新型稀磁半导体的μ子自旋弛豫与高压物性结构的调控; 3)大尺寸单晶生长、基于单晶的安德烈夫异质结研制以及自旋极化率的测量. 通过新材料设计研制、综合物性研究、简单原型器件构建的“全链条”模式研究, 开拓了自旋电荷分别掺杂的稀磁半导体材料研究领域, 展现了这类新型稀磁半导体材料潜在的光明前景.
2019, 68 (16): 167802.
doi: 10.7498/aps.68.20191043
摘要 +
宽禁带II族氧化物半导体材料体系, 包括氧化铍(BeO)、氧化镁(MgO)、氧化锌(ZnO)及合金, 拥有较大的激子结合能(ZnO 60 meV, MgO 80 meV), 较高的光学增益(ZnO 300 cm–1)以及较宽的可调带隙(ZnO 3.37 eV, MgO 7.8 eV, BeO 10.6 eV), 具有实现紫外及深紫外波段低阈值激光器的独特优势, 同时也是取代传统气体放电灯(汞灯、氘灯、准分子灯、氙灯)成为深紫外乃至真空紫外光源的重要候选材料之一. 虽然经过20余年的研究历程, ZnO基pn同质结近紫外电致发光方向取得了长足进步, 但是, 随着带隙的展宽, 伴随而来的受主(施主)离化能变高(百毫电子伏特量级), 使得室温等效热能(26 meV)无法实现对杂质能级上的空穴(电子)有效离化; 此外, 掺杂过程中存在的自补偿效应也进一步弱化了载流子的产率, 以上因素已经成为了阻碍宽禁带II 族氧化物半导体实现紫外激光器件及向更短波长扩展的瓶颈性问题, 同时也是其他宽禁带半导体材料共同面对的难题. 对材料电学及发光性能的调控往往取决于对关键缺陷态的识别与控制, 丰富的点缺陷及其组合类型, 使宽禁带II族氧化物半导体成为研究缺陷物理的重要平台. 针对特定点缺陷的识别及表征将有望发现并进一步构建能级较浅的缺陷态, 为电学性能调控提供基础. 本文从高质量外延生长、杂质与点缺陷、p型掺杂及紫外电致发光三个方面阐述II族氧化物半导体近期研究结果, 通过对相关研究工作的概览, 阐明该体系作为深紫外光源材料的独特优势的同时, 指明未来针对电学性能调控的关键在于对点缺陷的调控.
2019, 68 (16): 167803.
doi: 10.7498/aps.68.20191004
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集成硅光电子学的目的之一就是为大众市场创造应用广泛、成本低廉的光子互连工具. 随着摩尔定律逼近理论极限, 集成芯片的金属互连越来越跟不上芯片体积微型化、频率高速化和功耗分配精益化的需求. 本文基于硅基发光器件的发展历程, 详细论证了金属-氧化物-半导体结构硅发光器件在未来集成电路中的合理应用, 提出了全硅光电集成电路在理论和工艺上的可行性. 这种电路突破了传统芯片电互连码之间串扰的瓶颈, 改善之后的互连速度理论可达光速, 有望成为新一代集成芯片的主流.
2019, 68 (16): 168102.
doi: 10.7498/aps.68.20191036
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石墨烯作为二维原子晶体家族的典型代表, 由于其优异的物理与化学特性而受到学术界与工业界的广泛关注. 石墨烯纳米带是宽度仅有几纳米到几十纳米的石墨烯. 纳米带不但继承了石墨烯大部分优异的性能, 而且具备可调控带隙、自旋极化边界态等石墨烯所不具有的新奇物理特性. 这些特性使石墨烯纳米带成为未来探索石墨烯电子学应用所需要重点研究的对象. 利用与石墨烯晶格结构相似的六方氮化硼(h-BN)作为绝缘介质衬底进行石墨烯及石墨烯纳米带制备, 不仅可以有效地保持它们优异的本征性质, 还可以开发出与主流半导体工艺相兼容的电子器件工艺与应用. 本文回顾了近几年h-BN表面石墨烯及石墨烯纳米带研究的发展历程, 详细阐述了最近的材料制备和物性研究的进展, 并对高质量h-BN衬底制备的最新进展进行介绍, 以期为未来实现高质量h-BN表面石墨烯纳米带的规模化制备并最终实现电子器件应用奠定基础. 最后本文对h-BN表面石墨烯及石墨烯纳米带的未来研究方向进行了展望.
