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半导体学报2024年第2期——中文导读
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综 述
1 高Al组分AlGaN高效掺杂研究进展
III族氮化物宽禁带半导体在光电子、射频电子和功率电子等领域展现出巨大的潜力，并在半导体照明、新型显示、雷达、新一代移动通讯、新能源等方面实现应用，对国家的产业升级、节能减排具有战略意义。其中，以AlGaN材料为基础的固态紫外（UV）光源，是氮化物光电子发展的重要方向和热点领域，也是产业化替代传统气态汞灯、履行联合国《水俣公约》的最优解决方案。
以紫外发光二极管（UV-LED）为代表，AlGaN基固态紫外光源在紫外固化、生物医疗、以及杀菌消毒等方面具有重要价值。但是受制于器件电光转换效率（wall-plug efficiency，WPE）低等问题，UV-LED仍处于发展阶段。以UVC波段（发光波长短于 280 nm）为例，虽然已报道的最高电光转换效率达到15.3%（峰值波长275 nm），但是目前商业化器件的普遍水平仍远低于10%，严重制约了器件的广泛应用。究其原因，作为一种典型的p-i-n结构，高Al组分AlGaN的n、p型掺杂效率是影响器件性能的决定性因素。
为此，北京大学许福军、沈波课题组系统总结了UV-LED电光转换效率及高Al组分AlGaN掺杂的最新研究进展，同时梳理、归纳了高Al组分AlGaN中n、p型掺杂所面临的核心问题及针对性解决方案。对于n型掺杂，聚焦于补偿缺陷的类型及相关抑制手段，重点关注MOCVD生长条件优化对于n型AlGaN中电子浓度及电导率提升的影响，同时对于施主离子注入、磁控溅射AlGaN制备等新思路及其物理机理进行介绍和分析。而对于p型掺杂，瞄准受主（Mg）固溶度低、激活能高以及缺陷补偿等核心难题，对目前常用的激活诱导掺杂、超晶格掺杂及δ掺杂等方法的最新进展进行了整理，并对各方法的优缺点及后续应用进行了分析。
该文章以题为“Progress in efficient doping of Al-rich AlGaN”发表在Journal of Semiconductors上。北京大学博士后王嘉铭为第一作者，许福军副教授和沈波教授为共同通讯作者，葛惟昆教授对该工作进行了指导和帮助。该项工作得到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等项目的资助。
图1. 210-320 nm波段UV-LED的电光转换效率(WPE)最新研究进展。
图2. 高Al组分AlGaN(Al组分大于50%) (a) 电导率及 (b) 电子浓度的最新研究进展。
文章信息
Progress in efficient doping of Al-rich AlGaN
Jiaming Wang, Fujun Xu, Lisheng Zhang, Jing Lang, Xuzhou Fang, Ziyao Zhang, Xueqi Guo, Chen Ji, Chengzhi Ji, Fuyun Tan, Xuelin Yang, Xiangning Kang, Zhixin Qin, Ning Tang, Xinqiang Wang, Weikun Ge, Bo Shen
J. Semicond. 2024, 45(2): 021501 doi: 10.1088/1674-4926/45/2/021501
Full Text2 碱土金属铁基氧化物作为锂离子电池负极材料的研究进展
近几十年来，石墨负极因其在放电和充电过程中展现出稳定的电压平台，已经在商业锂离子电池领域得到了广泛应用。然而，其理论比容量仅为372 mAh·g-1。开发具有更高容量的负极材料已经变得至关重要。在此背景下，氧化铁以其高理论容量、丰富的原料来源和低成本等优势，展现出巨大的潜力。在锂化过程中，铁离子转化为金属铁，显示出高达924~1007 mAh·g-1的容量。然而，氧化铁在转化反应过程中易产生较大的体积变化，从而导致材料粉碎。为解决这一问题，引入另一种金属元素构建二元铁基金属氧化物是一种有效方法。碱土金属铁基氧化物因其原料易得、制备成本低、化学性质稳定以及电化学性能优异等特点，被视为具有前景的锂离子电池负极材料之一。
有鉴于此，沈阳工业大学吴禹翰、史发年、温州大学李林以及江苏大学张成林等人系统地介绍了碱土金属铁基氧化物的结构性能、合成方法、电化学反应机理以及改进策略。通过深入分析当前研究成果，作者认为尽管碱土金属铁基氧化物在锂离子电池负极材料中展现了卓越的电化学性能，但依然存在许多待解决的问题和潜在的提升空间（图1）。为了推动这一领域的发展，我们应更积极地探索和应用有效的改性策略，持续优化碱土金属铁基氧化物的电化学性能。同时，借助更精确的表征技术，深入挖掘其反应机制。
该文章以“Research progress of alkaline earth metal iron-based oxides as anodes for lithium-ion batteries”为题发表在Journal of Semiconductors上。
图1. 碱土金属铁基氧化物负极的未来发展方向示意图。
文章信息：
Research progress of alkaline earth metal iron-based oxides as anodes for lithium-ion batteries
Mingyuan Ye, Xiaorui Hao, Jinfeng Zeng, Lin Li, Pengfei Wang, Chenglin Zhang, Li Liu, Fanian Shi, Yuhan Wu
J. Semicond. 2024, 45(2): 021801 doi: 10.1088/1674-4926/45/2/021801
Full Text研究论文
3 利用近零介电常数的InAs层实现无金属全外延结构的增强热辐射效应
本文介绍了一种利用全外延、无金属结构制造中红外(MIR)热发射器的新方法。通过在InAs层中巧妙地使用近零介电常数(ENZ)的薄膜，实现了窄带、广角及p偏振热发射光谱。该方法采用分子束外延技术，规避了目前层状结构的复杂性，并产生了不易随温度波动的发射波长。该研究成果为更简单、高效的中红外光电器件的研制开辟了一条前景广阔的道路。该文章以题为Enhanced thermal emission from metal-free, fully epitaxial structures with epsilon-near-zero InAs layers”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. 利用分子束外延生长的样品结构。
文章信息：
Enhanced thermal emission from metal-free, fully epitaxial structures with epsilon-near-zero InAs layers
Karolis Stašys, Andrejus Geižutis, Jan Devenson
J. Semicond. 2024, 45(2): 022101 doi: 10.1088/1674-4926/45/2/022101
Full Text4 基于相变复合材料的建筑可控热整流设计
热带地区和寒温带地区长期保持着高温和低温的环境，使得当地居民大部分时间都在室内活动。为了确保室内温度的舒适性，这些地区的建筑外墙通常被设计成高度隔热的结构。然而，传统的隔热材料会完全阻隔室内与室外的热量传递，意味着在热带地区的夜晚以及寒温带地区的午后，建筑无法及时散热或采暖。基于此，可设计一种能够控制热量单向传输的建筑外壳，实现一个方向的热量导通，另一个方向的热量截止。这种可变热导的外壳可以节省7%-42%的建筑能耗，有效地降低温室气体的排放，实现低碳发展。近年来，热整流器作为一种能够主动控制热流传输的装置，在热管理、热防护、节能等领域都展现出了巨大的应用前景。然而，目前的热整流器主要集中在理论层面的基础研究上，需要通过对特定应用的具体评估来填补基础研究与实际应用之间的空白。
近日，清华大学田禾教授课题组基于石墨烯气凝胶和相变材料提出了一种针对建筑保温的宏观热整流设计(图1)，将复合材料(TRM)直接贴附到普通建筑外墙上即可实现高效可控的热整流特性，并结合实验验证和模拟计算对该设计的应用性能进行了详细的评估。结果表明，与传统的隔热材料相比，TRM能通过相变过程中产生的热导率跳变在特定的热流条件下开启热整流，有效地控制系统内部的定向热传导，进而调节系统两侧的温差。在热流强度为79 W/m2，TRM厚度为4 cm时，该设计在不同热流方向上的导热能力相差1.71倍。此外，对于不同种类的TRM和建筑外墙(CW)，该设计具有普适性(图2)。通过改变材料的物理性能可以调整热整流的工作范围和整流系数，TRM相变前后的热导率变化越大，热整流系数越高。
该设计为热整流器扩展到建筑领域提出了可行的应用方案。通过结合实际工程技术，该设计可广泛应用于具有特定控温需求的智能建筑或热学系统的保温外壳中，实现对内部热流的主动控制。
该文章以题为“Controllable thermal rectification design for buildings based on phase change composites”发表在Journal of Semiconductors上。
图2. TRMs和建筑外墙(CWs)的物理性质对热整流系数R的影响。(a) 模拟中用到的不同材料的物理性质；(b) TRM(1-4)对应的热整流系数R与热流大小的曲线；(c) 在不同的热流方向上(J+和J-)，系统两侧建立的温差与热流大小的曲线；(d) CW(1-3)对应的热整流系数R与热流大小的曲线。
文章信息：
Controllable thermal rectification design for buildings based on phase change composites
Hengbin Ding, Xiaoshi Li, Tianhang Li, Xiaoyong Zhao, He Tian
J. Semicond. 2024, 45(2): 022301 doi: 10.1088/1674-4926/45/2/022301
Full Text5 在图形化同质衬底上实现GaN台面宽度可控的台阶流生长模式
氮化镓因其独特且优异的材料特性，在光电器件和电子器件都有着十分广泛的应用。对基于量子阱结构的激光器和基于异质结结构的高电子迁移率晶体管来说，器件性能与外延结构的表面平整度和界面陡直度密切相关，因此必须在外延生长中维持稳定的台阶流生长模式以形成表面光滑、晶格完整的外延层。台阶流生长模式中，台面宽度是其最重要的特征，其一方面决定了该生长模式能否稳定进行，另一方面又影响着In、Al和掺杂原子的并入行为。在传统的台阶流生长模式下，除了一些台阶不稳定性引起的扰动，表面台面宽度在衬底选定后就保持固定不变。另外由于衬底制备工艺问题，GaN同质衬底表面斜切不均匀导致各处台面宽度和方向都不相同，在其上生长的器件性能面内均匀性较差。因此实现台面宽度的精确调控对器件性能均匀性的提升尤为重要。
近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所刘建平研究员课题组通过采用侧壁作为台阶源，在图形化同质衬底的沟槽处实现了GaN台阶流生长模式中台面宽度的调控。他们在该工作中得到了与衬底斜切所产生的完全不同的原子台阶，并实现了均匀平直的台阶流生长模式，然后分别通过生长温度和V/III比实现了对其台面宽度的调控。此外，他们还进一步分析了该生长模式的形成机制，并且基于台阶运动模型模拟了沟槽处原子台阶的运动过程。
该工作创造性地提出了一种精确调控表面原子台面宽度的方法，为深入理解外延生长过程中原子台阶运动过程起到了促进作用。
该文章以题为“Controllable step-flow growth of GaN patterned freestanding substrate”发表在Journal of Semiconductors上。
图2. 沟槽处相同条件下生长的uGaN表面20×10 μm2 AFM振幅图：（a）第一次再生长后；（b）第二次再生长后。
文章信息：
Controllable step-flow growth of GaN on patterned freestanding substrate
Peng Wu, Jianping Liu, Lei Hu, Xiaoyu Ren, Aiqin Tian, Wei Zhou, Fan Zhang, Xuan Li, Masao Ikeda, Hui Yang
J. Semicond. 2024, 45(2): 022501 doi: 10.1088/1674-4926/45/2/022501
6 用于日盲探测器的c面蓝宝石上MOCVD两步法生长的β氧化镓材料
作为一种新兴的宽带隙半导体材料，β氧化镓日盲紫外光电探测器因其低背景噪声、高响应值和抗辐射性，受到研究人员的广泛关注。当前生长β氧化镓薄膜的主要方法包括MBE、HVPE和MOCVD等。MSM型探测器由于其结构简单和具有高的响应值，为目前氧化镓日盲探测器的主要结构形式。蓝宝石衬底技术成熟且广泛应用于宽带隙材料的异质外延。然而，蓝宝石和氧化镓之间的晶格失配大，异质外延将产生大量的位错，氧化镓探测器性能难以提升。
为了提高蓝宝石衬底上氧化镓异质外延薄膜的晶体质量，中国科学院半导体研究所成步文研究员课题组通过优化蓝宝石衬底和外延层之间缓冲层的生长温度，实现了高质量氧化镓薄膜的外延生长。采用两步法生长的半高宽约为0.66°氧化镓薄膜，制备的氧化镓日盲探测器响应度1422 A/W @254 nm、探测率达到2.5×1015 Jones，响应时间36 ms，相关指标为国际领先水平。该工作说明MOCVD两步法生长的氧化镓材料在制备高性能的日盲探测器方面具有非常大的潜力。
该文章以题为“Two-step growth of β-Ga2O3 on c-plane sapphire using MOCVD for solar-blind photodetector”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Two-step growth of β-Ga2O3 on c-plane sapphire using MOCVD for solar-blind photodetector
Peipei Ma, Jun Zheng, Xiangquan Liu, Zhi Liu, Yuhua Zuo, Buwen Cheng
J. Semicond. 2024, 45(2): 022502 doi: 10.1088/1674-4926/45/2/022502
Full Text7 研究超多周期超晶格的先进理论方法：理论与实验对比
本文开发了一种新的理论方法来研究超多周期超晶格。该方法将8带kp方法的精确性与打靶法和蒙特卡罗法的灵活性相结合，用于检测由分子束外延法生长的超多周期Al0.3Ga0.7As/GaAs超晶格的最优质样品。利用快速光调制反射光谱法对该理论方法进行了验证，首次获得了经实验验证的超多周期超晶格能带图的精确理论分析结果。该方法高度精确地确定了跃迁峰的位置，可用于计算能带图、离化能、弛豫速率及增益估算。之前常用的理论分析方法通常会产生25%的误差，本文所采用的方法将误差显著降低至5%，并且能获得超晶格的参数信息，所得到的样品固有参数与XRD数据和生长参数一致。此外，该方法还准确地预测了量子阱厚度小于5 nm时第二能级的逸出，与光调制反射光谱实验观察结果一致。这种先进的理论方法为室温工作的太赫兹发光器件的设计提供了新思路。
该文章以题为“An advanced theoretical approach to study super-multiperiod superlattices: theory vs experiments”发表在Journal of Semiconductors期刊上。
图1. 变换后的样品号PR谱。1在T=300 K时测得。黑色虚线箭头为实验跃迁能峰值，绿色实线箭头为CSM计算的跃迁能位置。
文章信息：
An advanced theoretical approach to study super-multiperiod superlattices: theory vs experiments
Alexander Sergeevich Dashkov, Semyon Andreevich Khakhulin, Dmitrii Alekseevich Shapran, Gennadii Fedorovich Glinskii, Nikita Andreevich Kostromin, Alexander Leonidovich Vasiliev, Sergey Nikolayevich Yakunin, Oleg Sergeevich Komkov, Evgeniy Viktorovich Pirogov, Maxim Sergeevich Sobolev, Leonid Ivanovich Goray, Alexei Dmitrievich Bouravleuv
J. Semicond. 2024, 45(2): 022701 doi: 10.1088/1674-4926/45/2/022701
8 基于不同形态二氧化钛光阳极的背照式高效柔性染料敏化太阳能电池
随着传统能源耗竭，环境污染问题加剧，开发利用太阳能成为全球可持续发展的重要方向。染料敏化太阳能电池（Dye-Sensitized Solar Cells，DSSCs）作为一种新型能源转换技术，因其重量轻、制备过程简单、环境兼容性好等优势，在新型太阳能电池研究中备受关注。目前最高效率已超过14%，具有广阔的应用前景。作为DSSC重要的关键部件之一，光阳极的形貌对器件性能具有重要的影响。
近日，河南大学谭付瑞课题组的岳根田教授制备出锐钛矿型的TiO2纳米棒和纳米管，作为Ti基柔性DSSCs光阳极材料，利用透明的PEDOT作为对电极，在优化条件下，在标准太阳光模拟器背照情况下获得7.65% 和7.83%，对比基于TiO2纳米颗粒的DSSC器件，效率分别提高9.9%和12.5%。这主要是由于TiO2纳米棒和纳米管具有比TiO2纳米颗粒更大的比表面积，进而吸附更多的染料分子，提高载流子的迁移率，最终实现器件效率提高的目的，为DSSCs商业化应用提供坚实的理论指导和科学意义。
该文章以题为“Efficient flexible dye-sensitized solar cells from rear illumination based on different morphologies of titanium dioxide photoanode”发表在Journal of Semiconductor上，2024年，第45卷，第2期，河南大学硕士研究生何哲为论文第一作者，河南大学岳根田教授为该论文第一通讯作者，谭付瑞教授为论文共同通讯作者。该工作工作主要由国家自然科学基金和河南省科技攻关项目等资助。
文章信息：
Efficient flexible dye-sensitized solar cells from rear illumination based on different morphologies of titanium dioxide photoanode
Zhe He, Gentian Yue, Yueyue Gao, Chen Dong, Furui Tan
J. Semicond. 2024, 45(2): 022801 doi: 10.1088/1674-4926/45/2/022801
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