光催化分解水技术是利用半导体光催化材料实现太阳能转化和利用的一种有效方法，是解决当前能源和环境问题的有效途径之一。然而，半导体光催材料光谱相应范围小、能量转化效率低、稳定性差等问题，极大地限制了光解水技术的产业化进程。因此，开发低成本、高效、稳定的光催化材料是实现大规模太阳能水分解的一个重要途径。石墨氮化碳（g-C₃N₄）作为一种具有合适带隙的非金属半导体材料，由于其优异的理化和光电子性能，受到了半导体光解水领域越来越多的关注（如图1）。然而，g-C₃N₄自身一些固有的限制和缺点，主要包括光生载流子的高复合率、反应动力学和光吸收利用率的不足等，严重阻碍了其产业化应用。近年来，空位缺陷工程因其在优化g-C₃N₄的电子结构、表面形貌和光催化活性方面的优异表现，而被作为突破g-C₃N₄自身缺陷的一种有效策略，受到研究人员的广泛关注。

图1. g-C₃N₄光催化全分解水的示意图。

基于此，中国科学院半导体研究所王智杰研究员和河北工程大学黄艳宾副教授课题组，系统讨论了g-C₃N₄光催化分解水的基本原理和含有空位缺陷g-C₃N₄的制备方法；深入分析了空位缺陷对g-C₃N₄能带结构、光谱响应范围、光生载流子分离迁移特性、表面反应动力等性能的影响；全面总结了含有空位缺陷g-C₃N₄光分解方面应用的最新进展。此外，归纳了含有空位缺陷g-C₃N₄研究面临的挑战和未来的研究方向，具体为：（1）通过现有的合成方法来同时控制空位缺陷的类型、数量和准确位置仍然是一个挑战；（2）更强大的表征技术和计算理论需要进一步探索，从而揭示g-C₃N₄复合光催化体系的协同作用机理和催化反应机制；（3）保持含有缺陷g-C₃N₄催化活性的稳定性和重复性是其应用的关键问题之一，更深入的实验和理论研究是今后研究的重点；（4）结合空位缺陷工程和其他调控策略来精确调控g-C₃N₄不同特性的策略需要进一步研究，这将是制备高效、多功能g-C₃N₄基光催化剂的重要研究方向之一。该综述为半导体材料的调控制备和高效g-C₃N₄光解水体系的构建提供了一些新的见解，对相关研究具有一定的指导意义和参考价值。

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State-of-the-art advancements in vacancy defect engineering of graphitic carbon nitride for solar water splitting

Jie Li, Kaige Huang, Yanbin Huang, Yumin Ye, Marcin Ziółek, Zhijie Wang, Shizhong Yue, Mengmeng Ma, Jun Liu, Kong Liu, Shengchun Qu, Zhi Zhao, Yanjun Zhang, and Zhanguo Wang

J. Semicond.  2023, 44(8): 081701  doi: 10.1088/1674-4926/44/8/081701

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图1. (a) DAC中单层WS₂材料结构和瞬态吸收光谱测试示意图。(b) 压力在0.30-3 GPa内单层WS₂的瞬态吸收光谱。(c) WS₂的A激子峰随压力变化图。

近日，深圳技术大学朱海鸥教授课题组研究了在静水压力下单层WS₂的光学响应，证明了静水压力能够引起材料能带结构和载流子动力学的有效变化。对高压作用下材料的瞬态吸收光谱进行双指数函数拟合得到浅层缺陷态捕获过程和深层缺陷态捕获过程的特征时间。两个超快过程都随压力的增加大幅缩短，在压强范围1.56-1.89 GPa间出现拐点，压强超过拐点后特征时间随压力增加而下降的速率减慢，两个阶段的压强和特征时间都线性相关。研究结果为理解外部应变下二维过渡金属硫属化物的载流子特性提供了基础信息，有助于设计基于二维过渡金属硫属化物材料的新型激子器件。

图2. （a）浅层缺陷态捕获过程的寿命随压力变化图。（b）深层缺陷态捕获过程的寿命随压力变化图。

该文章以题为“Pressure manipulation of ultrafast carrier dynamics in monolayer WS₂”发表在Journal of Semiconductor上。

文章信息：Pressure manipulation of ultrafast carrier dynamics in monolayer WS₂

Yao Li, Haiou Zhu, Zongpeng Song

J. Semicond. 2023, 44(8): 082001  doi: 10.1088/1674-4926/44/8/082001

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一维半导体材料是一种具有优异传感特性的新型材料，其具有极大的比表面积、独特的电子传输行为以及丰富的陷阱态和缺陷能级，能够产生更多、寿命更长的光生载流子，因而被广泛应用在光电探测领域。此外，异质结构的应用也让一维材料获得了更高的量子效率和更宽的响应波段。最近，一种叫做Ruddlesden-Popper钙钛矿（RPP）的低维材料逐渐涌现在光电探测器的研究中。这种钙钛矿的结构通式为(RNH₃)₂(A)_n-1M_nX_3n+1（n为分子骨架层数），与传统的钙钛矿体材料相比，前者的八面体骨架层之间填充着具有长支链胺离子的修饰分子，从而使分子层分隔开。目前，基于二维RPP的光电探测器已经被大量报道，而具有一维结构的RPP器件却很少见。而且，大部分RPP器件仅能对有限的可见光波段产生良好响应。以PEA₂MAPb₂I₇（n = 2）为例，这种RPP的带隙大约为2.1 eV，这意味着该材料光电响应的截止波长不超过600 nm。虽然在一些二维异质结中RPP能够起到提高红外波段响应的功能，但是这种钙钛矿自身的光电响应潜力仍未被完全开发。

图1.（a）RPP微米线光电探测器示意图。（b）微米线内部光生载流子传输机制示意图。（c）RPP微米线内部不同组分的示意图。

近日，中国科学院半导体研究所娄正研究员的团队报道了一种具有一维结构的RPP，并制备了能够对近红外区域产生良好响应的光电探测器。他们通过调整材料和器件的制备工艺，在金电极上自组装地制备出具有组分渐变多级核壳结构的RPP微米线。材料表征发现，微米线内部材料的骨架层数n从表面到核心处逐渐增大，因而形成了由壳层到核层逐渐向下弯曲的能带结构。测试表明，与相同组分比例的二维RPP相比，RPP微米线的响应截止波长从600 nm延伸到至少1350 nm，并且可见光区域的响应度从57 A/W提高到233 A/W、近红外区域也获得了最高33 A/W的响应度。与单一组分材料的能带结构相比，这种多级核壳结构的能带结构更复杂，电子能够吸收能量更低的光子，载流子也更容易被外部电场分离。

图4. RPP微米线分别在550 nm和1064 nm光照下的（a）（b）I-V特性曲线和（c）（d）电流响应曲线。（e）在可见光照射下和（f）近红外光照射下器件的载流子传输机制。

这种形态的RPP微米线是一种全新的异质结材料的设计和应用的方法，为低维材料的改性和新型光电器件的制备提供了新的思路。

该文章以题为“Photodetector based on Ruddlesden-Popper perovskite microwires with broader band detection”发表在Journal of Semiconductors上。

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Photodetector based on Ruddlesden-Popper perovskite microwires with broader band detection

Yongxu Yan, Zhexin Li, Zheng Lou

J. Semicond. 2023, 44(8): 082201  doi: 10.1088/1674-4926/44/8/082201

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近年来，有机太阳电池的效率得到不断提高，目前单节有机太阳电池效率已突破19%。然而，有机太阳电池的光敏活性层通常对光、氧及水较为敏感，使得具有优异稳定性的有机太阳电池的开发面临挑战，进而影响有机光伏技术的最终产业化及实际应用。目前，提升有机太阳电池稳定性的一种有效方法为往电池的光敏活性层中掺入具有抗氧化功能的添加剂。该方法虽然一定程度上提高了电池的光、氧稳定性，但由于添加剂容易发生聚集而对活性层形貌产生影响，进而降低电池的储存稳定性。因此，探索新的策略以获得兼具高效率和优异稳定性的有机太阳电池具有非常重要的意义。

图1.（a）共轭聚合物的分子结构式；（b）聚合物及Y6的薄膜吸收；（c）聚合物及Y6的电化学能级；（d）所制备的有机太阳电池器件结构示意图。

图2. 共混薄膜的紫外-可见光-近红外吸收光谱在不同时间光照下的变化图。（a）D18-Cl: Y6共混薄膜；（b）D18-Cl-BTBHT0.05: Y6共混薄膜；（c）D18-Cl-BTBHT0.1: Y6共混薄膜；（d）D18-Cl-BTBHT0.2: Y6共混薄膜。

图3. 有机太阳电池性能。（a）J-V曲线图；（b）外量子效率（EQE）图；（c）未包封的电池在惰性气体（氮气）氛围下的性能变化；（d）未包封的电池在大气氛围下的性能变化。

近日，华南理工大学黄飞教授课题组提出将抗氧化基团二丁基羟基甲苯（BHT）引入到2,1,3-苯并噻二唑单元上，得到具有抗氧化功能的结构单元BTBHT。随后，将不同摩尔比例的BTBHT单元共聚到D18-Cl聚合物中，得到一系列三元共轭聚合物D18-Cl-BTBHTx (x = 0.05, 0.1, 0.2)。研究发现，引入一定比例抗氧化剂侧链不会对聚合物的吸收及能级产生显著影响。基于D18-Cl-BTBHT0.05: Y6活性层的有机太阳电池获得了17.6%的最高效率，高于将BHT作为添加剂添加到D18-Cl: Y6活性层的器件。更重要的是，基于D18-Cl-BTBHTx (x = 0.05, 0.1, 0.2): Y6活性层的电池在未包封状态下相比于基于D18-Cl: Y6活性层的电池具有更优的稳定性，基于D18-Cl-BTBHTx (x = 0.05, 0.1, 0.2): Y6活性层的电池在工作30小时后仍然可以保持50%以上的初始效率，而基于D18-Cl: Y6活性层的电池在工作30小时后效率衰减接近90%。该研究表明，构建带有抗氧化剂侧链的三元共轭聚合物是获得兼具高效率及优异稳定性有机太阳电池的有效方法。

图4. 大气氛围及室温条件下，在一个太阳光照下，所制备的电池的EQE变化。（a）D18-Cl: Y6电池；（b）D18-Cl-BTBHT0.05: Y6电池；（c）D18-Cl-BTBHT0.1: Y6电池；（d）D18-Cl-BTBHT0.2: Y6电池。

图5. 老化前后，电池的载流子行为。（a）未老化器件的J_ph-V_eff关系图；（b）老化后器件的J_ph-V_eff关系图；（c）未老化器件的电流-光强依赖关系图；（d）老化后器件的电流-光强依赖关系图；（e）未老化器件的电压-光强依赖关系图；（f）老化后器件的电压-光强依赖关系图。

图6. 老化前后，共混膜形貌。（a）未老化共混膜的2D-GIWAXS图；（b）老化后共混膜的2D-GIWAXS图；（c）未老化共混膜的1D-GIWAXS切线图；（d）老化后共混膜的1D-GIWAXS切线图。

该文章以题为“Highly efficient organic solar cells with improved stability enabled by ternary copolymers with antioxidant side chains”发表在Journal of Semiconductors上。

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Highly efficient organic solar cells with improved stability enabled by ternary copolymers with antioxidant side chains

Ao Song, Qiri Huang, Chunyang Zhang, Haoran Tang, Kai Zhang, Chunchen Liu, Fei Huang, Yong Cao

J. Semicond. 2023, 44(8): 082202  doi: 10.1088/1674-4926/44/8/082202

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GaN基宽禁带半导体材料具有电场可控的自旋轨道耦合，其稀磁半导体居里温度大于室温，这些优点推动了GaN基自旋电子器件的研究。发展GaN基自旋电子器件的核心环节之一是实现高效率的自旋注入，需要在磁性金属和半导体之间引入界面势垒来解决电导失配问题。目前科研人员普遍利用纳米厚度的氧化物介质层（Al₂O₃、MgO等）作为界面势垒使自旋极化电子隧穿注入，氧化物介质的厚度、均匀性、缺陷态等严重影响着自旋注入的效率。铁磁金属与GaN接触形成的肖特基势垒无需生长介质层，工艺流程简单，并具有较低的界面电阻。但肖特基势垒在GaN一侧形成的耗尽区局域态易俘获隧穿电子，接触界面的界面态会使电子多步隧穿引发自旋散射，从而影响自旋电子器件的性能。

北京大学与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所合作，利用真空互联系统生长GaN/Co隧穿结构，利用Co与GaN之间的肖特基势垒作为自旋隧穿通道，实现了高效率的自旋注入。制备过程中GaN避免了空气暴露，抑制了表面氧化，降低了隧穿结接触界面的界面态密度，减少了自旋注入过程中自旋散射。另一方面，GaN一侧的耗尽区局域态会俘获注入电子，俘获几率与耗尽区宽度正相关。因耗尽区宽度受GaN掺杂浓度控制（d =(2εφ₀/eN_D)^0.5），实验中MOCVD生长的GaN的Si掺杂浓度为1×10¹⁹ cm^-3，降低了耗尽区空间电荷对注入过程的影响。

图1. 左图：自旋阀器件面内磁场扫场的非局域磁阻信号。右图：零压电导随温度的变化；插图为非局域磁阻信号随注入电流的变化。

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Spin injection into heavily-doped n-GaN via Schottky barrier

Zhenhao Sun, Ning Tang, Shuaiyu Chen, Fan Zhang, Haoran Fan, Shixiong Zhang, Rongxin Wang, Xi Lin, Jianping Liu, Weikun Ge, Bo Shen

J. Semicond. 2023, 44(8): 082501  doi: 10.1088/1674-4926/44/8/082501

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太阳能发电在绿色洁净新能源领域占有重要的地位。近年，硒化锑(Sb₂Se₃)作为一种新兴的太阳能电池材料备受关注。硒化锑具有非常优异的光电性能，例如：合适的带隙、极强的光吸收能力、较高的载流子迁移率、较低的毒性和较低的价格。尽管硒化锑薄膜太阳能电池已经取得了很大的进步，但是如果要实现商业化生产还有许多问题需要解决。

图1. 器件结构和分子结构。

近日，大连理工大学程传辉课题组利用真空热蒸发在ITO衬底上沉积一薄层的有机小分子TCTA作为硒化锑太阳能电池的钝化层，抑制了阳极界面的载流子复合，提高了器件的光电转化效率。他们制备了结构为ITO/TCTA(3.0 nm)/Sb₂Se₃(50.0 nm)/C₆₀(5.0 nm)/Alq₃(3.0 nm)/Al的器件。引入TCTA层后器件的开路电压从0.36 V提高到0.42 V；短路电流密度从18.02 mA/cm²提高到19.75 mA/cm²；填充因子从48%提高到53%；光电转换效率从3.2%增加到4.3%。他们还系统地研究了器件性能提升的机理。器件效率提高的主要原因有以下三点：1) 器件的漏电通道减少，漏电流被抑制。2) TCTA层阻挡了Sb₂Se₃和ITO之间的互扩散和化学反应，抑制了界面态的产生和界面复合。3) TCTA层阻挡了光生电子向ITO阳极的扩散，抑制了光生电子的复合。

图2. (a) 器件在模拟太阳光照下的J−V特性，(b) 在暗态条件下的J−V特性。

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Enhanced efficiency of the Sb2Se3 thin-film solar cell by the anode passivation using an organic small molecular of TCTA

Yujie Hu, Zhixiang Chen, Yi Xiang, Chuanhui Cheng, Weifeng Liu, Weishen Zhan

J. Semicond. 2023, 44(8): 082701  doi: 10.1088/1674-4926/44/8/082701

两端钙钛矿/晶体硅叠层太阳电池可以扩大太阳光谱利用范围，将电池的理论效率提升至~42%，远超单结晶体硅电池~29.56%的理论极限效率，是学术界与产业界的研究热点。

目前，高效两端钙钛矿/硅叠层太阳电池在提效方面成果显著，但也面临许多挑战。除了科研人员比较熟悉的制备技术挑战以外，器件的无损失效分析也是一个重大挑战。由于叠层太阳电池的器件结构复杂、功能层数量多、工艺步骤多且相互匹配度要求高，制备过程中很容易出现器件效率损失的情况。一旦发生器件效率损失，如果仅从电池的光照电流-电压曲线往往无从确认效率损失来源。同时，常见分析测试手段通常也是破坏性的，且难以反映完整器件的电学性能。上述原因导致叠层电池的失效原因难以确认，不利于指导科研人员针对性地解决相关问题。 

图1. 两端钙钛矿/硅叠层太阳电池的（A）结构示意图，（B）双二极管串联电路模型，（C）实测与电路模拟的光照电流-电压曲线对比图；（D，E）暗场半对数曲线、暗场局部理想因子曲线及对应的分电路电流-电压曲线图。

另外，通过对双二极管串联电路模型的简单分析，我们得到一些初步结果：1）双二极管串联模型可以很好地重现实验室叠层电池的光照电流-电压曲线；2）暗场半对数曲线、暗场局部理想因子曲线可以用于揭示叠层电池效率损失来源；3）分电池的耗尽区复合比表面复合带来更严重的效率损失；4）全电池漏电与分电池漏电在I-V（电流-电压）曲线上具有显著差异；5）相对于单结电池，叠层电池对串阻具有较大的容忍能力；6）具有反向整流效应的中间连接层对器件具有致密影响。

总的来说，本文为科研工作者分析研究叠层电池的失效来源提供了一种新的思路。该文章以题为“Efficiency-loss analysis of monolithic perovskite/silicon tandem solar cells by identifying the patterns of dual two-diode model’s current-voltage curves”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Efficiency-loss analysis of monolithic perovskite/silicon tandem solar cells by identifying the patterns of dual two-diode model’s current-voltage curves

Yuheng Zeng, Zetao Ding, Zunke Liu, Wei Liu, Mingdun Liao, Xi Yang, Zhiqin Ying, Jingsong Sun, Jiang Sheng, Baojie Yan, Haiyan He, Chunhui Shou, Zhenhai Yang, Jichun Ye

J. Semicond.  2023, 44(8): 082702  doi: 10.1088/1674-4926/44/8/082702

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硅基GaN功率开关器件具备功率密度高、开关速度快和高温工作等优势，但受到传统Si基逻辑控制、驱动等外围芯片安全工作温度和GaN功率开关器件与Si基芯片之间互联寄生效应的影响，目前GaN基功率变换系统仍难以充分发挥硅基GaN功率开关器件的性能优势。因此，发展GaN单片功率集成技术，开发硅基GaN CMOS逻辑控制与驱动芯片，利用CMOS电路功耗低、电路拓扑丰富、功能完备的优点实现全GaN单片功率IC，是充分释放GaN功率半导体性能优势的理想技术方案之一。然而，受限于GaN材料中p型杂质Mg的有效激活率低（2%-3%）、空穴迁移率低、器件阈值电压调控困难和关态泄露电流大等难题，目前GaN p-FET的器件性能与GaN n型HEMT失配严重，难以构建高性能、小型化GaN CMOS IC。如何实现高性能增强型GaN p-FETs是当前GaN电子器件技术发展中亟待突破的关键问题之一。

图1. 采用高Si组分LPCVD-SiNx栅介质的凹槽栅增强型GaN p-MISFET的（a）结构示意图、（b）增强型沟道剖面图、（c）转移I-V特性和（d）输出I-V特性。

近日，电子科技大学周琦教授课题组提出了一种具有高空穴迁移率的槽栅增强型GaN p-MISFET，其创新性地采用变组分LPCVD-SiN_x栅介质技术，通过控制栅介质层Si/N组分比，改善增强型GaN p-MISFET沟道空穴迁移率。基于该方法，所研制的具有高Si组分LPCVD-SiN_x栅介质的增强型GaN p-MISFET器件的沟道空穴有效迁移率达到19.4 cm²/(V∙s)，是目前所报道的基于p-GaN/AlGaN/GaN异质结构获得的增强型沟道最高空穴迁移率。器件饱和电流密度为-1.6 mA/mm，漏极电流开/关比为5×10⁵。另外，该增强型器件阈值电压达到-2.3 V，并且阈值电压具有良好的稳定性，栅压摆幅在0~ -10 V范围内阈值回滞仍然低于0.1 V。

图2. 凹槽栅增强型GaN p-MISFET沟道有效空穴迁移率与空穴浓度：（a）高Si组分LPCVD-SiNx和（b）高N组分LPCVD-SiNx；增强型器件性能与近期国内外报道结果对比：（c）空穴迁移率与掺杂浓度（d）阈值电压与阈值电压回滞。

调节LPCVD-SiN_x栅介质元素组分能够有效提升增强型GaN p-MISFET沟道空穴迁移率，同时实现器件阈值电压的大范围调控，改善阈值稳定性，为研制高性能增强型GaN p-MISFET以及推动GaN基CMOS IC的技术发展提供了新的思路。

该文章以题为“High threshold voltage enhancement-mode GaN p-FET with Si-rich LPCVD SiN_x gate insulator for high hole mobility” 发表在Journal of Semiconductors上。

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Liyang Zhu, Kuangli Chen, Ying Ma, Yong Cai, Chunhua Zhou, Zhaoji Li, Bo Zhang, Qi Zhou

J. Semicond. 2023, 44(8): 082801  doi: 10.1088/1674-4926/44/8/082801

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晶体管模型是沟通微纳电子器件制造和集成电路设计的重要桥梁，对于目前迅猛发展的第三代半导体——氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）来说，传统的经验基模型不能用于指导器件设计，且针对不同器件结构的可扩展性较差，亟需一个兼顾准确性和收敛性的物理基紧凑模型。目前业界标准主要为国外研究团队提出的ASM模型和MVSG模型，这些模型虽然能对GaN HEMT器件的性能作出良好的预测，但仍存在电子浓度计算、沟道温度、自热效应和缓变沟道近似（GCA）等方面的问题，同时，国内关于物理基模型的研究处于起步阶段，需要克服上述已有模型的缺陷建立自主IP的GaN HEMT器件模型，用于微波和功率集成电路的设计。

近日，中国科学技术大学林福江教授课题组与苏州能讯高能半导体有限公司合作，针对先前物理基模型基于缓变沟道近似预测GaN HEMT器件栅下电荷分布精度不足的问题，提出了将栅下电荷的非均匀分布视为施加偏压的函数，从而提高了模型对栅下电荷分布预测的准确性，克服了缓变沟道近似的局限性，作为新型GaN HEMT器件物理基模型工程的一部分，为未来建立国产GaN HEMT器件模型迈出了重要一步。

图1. （a）所考虑的GaN HEMT器件的横截面示意图；（b）Vg = 0 V，Vd = 0-5 V下GaN HEMT器件的栅下电荷浓度分布（符号代表数值模拟结果，实线代表所提出的解析模型结果，X坐标表示沿沟道的距离）。

该解析模型通过简化薛定谔方程和泊松方程等实现了器件物理上的合理近似，从而可以准确预测栅下沟道区域的电荷变化。同时，该模型也考虑了电场和电子浓度的非均匀性，提供了对器件物理更深入的理解。该模型的一个重要优势在于其基于解析方法，与数值模拟方法相比，可以显著降低计算和时间成本。此外，该模型可以作为描述晶体管IV性质的物理基模型的基础表达式，克服了缓变沟道近似带来的局限性。同时，也可以预测晶体管的最大垂直电场、晶格温度和栅电流等性质，可用于器件的可靠性评估。文章提供了详细的方程、边界条件和推导过程，可对该解析模型的构建有更加全面的了解。

虽然目前尚无直接测量沿沟道的电荷分布的实验方法，但该模型的有效性已通过计算方法验证。对于相同的器件结构参数，该解析模型与数值模拟得到的结果在不同条件下存在良好的一致性，证明了该模型的高鲁棒性和其嵌入到大信号模型用于快速物理分析和精确IC设计的潜力。

总之，本文介绍了一种用于预测GaN HEMT器件栅下电荷非均匀分布的解析模型，通过克服缓变沟道近似的局限性并深入探究器件的物理机理，该模型为研究人员和工程师提供了一个精确、高效率的全面建模分析工具。同时，作为未来基于国产IP的GaN HEMT器件新型物理基模型的核心，可为氮化镓器件和集成电路的进一步发展做出重要贡献。

该文章以题为“Analytical model of non-uniform charge distribution within the gated region of GaN HEMTs”发表在Journal of Semiconductors上。

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Analytical model of non-uniform charge distribution within the gated region of GaN HEMTs

Amgad A. Al-Saman, Eugeny A. Ryndin, Xinchuan Zhang, Yi Pei, Fujiang Lin

J. Semicond. 2023, 44(8): 082802  doi: 10.1088/1674-4926/44/8/082802

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腔光力学在精密测量、物质的宏观量子特性调控、量子存储等方面有着重要的应用。对于光力系统来说，为了观察声子的量子效应，必须首先将声子冷却到量子基态；为了精确地操纵声子量子态，需要减小光场与声子场的模式体积以增强光力耦合强度。我们课题组在2022年报道了利用GaAs/AlAs超晶格制备的光力系统可以获得太赫兹量级的声子并在GaAs/AlAs柱状微腔中实现光力耦合。然而，GaAs/AlAs柱状微腔结构由于光的衍射限制，其模式体积难以进一步减小。等离激元纳腔具有局部表面等离激元共振的特性，因此它们可以将光限制在远低于衍射极限的体积内。GaAs/AlAs超晶格声子晶体与等离激元纳腔的结合有望减小光场与声子场的模式体积，提高真空光力耦合率。

图1. 不同直径声子晶体圆柱中的声子场的分布。(a) 直径分别为3.60、3.98、5.50和6.64 nm时，声子的振幅分布。(b) (a)图中声子振幅随z轴的变化。定义Ratio为黑色方框内与整体声子振幅积分的比值，以反映声子态受到的约束。(c) Ratio随直径3.32-46.50 nm的变化。

近日，中国科学院半导体研究所张俊研究员课题组将金属银等离激元纳腔与GaAs/AlAs超晶格声子晶体相结合，在保持太赫兹量级声子频率的基础上，设计了能有效减小光场模式体积并提高光力耦合率的声子晶体-纳腔光力系统。其中声子晶体腔可将声子限制在直径约4 nm的范围内，声子晶体圆柱位于“领结”型纳腔将中间，使光场能有效覆盖声子。等离激元纳腔的特征波长为1550 nm，该波段的光在石英光纤中损耗低，在光通信中有重要应用。光腔的光学品质因子Q_­c可达到238，Q_­c与模式体积V的比值可达到0.22 nm^-3，是纳米梁光力晶体腔的约80倍，是点缺陷光子晶体等离激元纳腔混合系统的约100倍。真空光力耦合强度达到约12 MHz，比传统的纳米梁光力晶体腔提高了一个数量级。

声子晶体-等离激元纳腔系统为减小光场和声子场的模式体积以及增大真空光力耦合强度提供了新的平台，在集成量子光力学、量子通信和微波-光信号转换等领域具有很大的应用潜力。

图2. (a) 等离激元纳腔中的光场分布。中间、上方和右侧分别为x-z、x-y和y-z方向的视图。E_x、 E_y、E_z分别是电场的三个分量。(b) 和 (c) Q_c、V和Q_c/V随D_x的变化。

该文章以题为“Terahertz phononic cystal in plasmonic nanocavity”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Terahertz phononic crystal in plasmonic nanocavity

Zhenyao Li, Haonan Chang, Jia-Min Lai, Feilong Song, Qifeng Yao, Hanqing Liu, Haiqiao Ni, Zhichuan Niu, Jun Zhang

J. Semicond. 2023, 44(8): 082901  doi: 10.1088/1674-4926/44/8/082901

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