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半导体学报2023年第12期——中文导读
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综 述
1 基于脑电图信号的癫痫自动检测研究进展
该文章以题为“A review of automatic detection of epilepsy based on EEG signals”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
2 GaN HEMTs的非线性机制及改进方法综述
随着无线通信系统的发展，移动网络需要提供更高的数据传输速率、更低的传输延迟和更高的信号质量，这对射频电子器件提出了更高的要求。如今，越来越多的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）器件凭借因其优异的性能而被用于射频前端，取代了传统的硅基器件。为了保证通信质量，线性度是系统设计中的一个关键参数，非线性的出现往往导致显著的边带、高输入功率下的输出功率饱和、误差矢量幅度的增加等问题，进一步恶化信号的传输质量。目前业界已经提出了多种电路级方法来克服这种非线性问题，包括功率回退、负反馈、前馈、数字预失真等。然而，为了满足高数据容量，器件工作频率逐渐提高，电路级线性度提升的实现也变得越来越复杂。作为射频前端的核心器件，直接提高GaN HEMTs器件本身的线性度是抑制系统非线性问题有效且低成本的方法之一。
近日，中兴通讯无线架构团队发表综述文章，系统阐述了GaN HEMTs器件级的非线性机制及改进方法。作者全面分析和讨论了GaN HENTs器件的主要非线性来源，特别是跨导非线性的物理机制，并针对这些跨导退化机制，对近年来几种常用的器件级线性度改进方法进行了回顾和总结，最后，展望了未来器件级线性度改善的技术发展趋势，例如双栅极和铁电材料的组合、二维电子气和三维电子气的复合沟道等，认为复合方法的应用将为器件级线性度优化提供更好的效果。
该文章以题为“A review on GaN HEMTs: nonlinear mechanisms and improvement methods”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. GaN HEMTs的跨导非线性机制。
文章信息：
A review on GaN HEMTs: nonlinear mechanisms and improvement methods
Chenglin Du, Ran Ye, Xiaolong Cai, Xiangyang Duan, Haijun Liu, Yu Zhang, Gang Qiu, Minhan Mi
J. Semicond. 2023, 44(12): 121801 doi: 10.1088/1674-4926/44/12/121801
3 基于MOCVD 生长的量子级联激光器
Quantum cascade lasers grown by MOCVD
Yongqiang Sun, Guangzhou Cui, Kai Guo, Jinchuan Zhang, Ning Zhuo, Lijun Wang, Shuman Liu, Zhiwei Jia, Teng Fei, Kun Li, Junqi Liu, Fengqi Liu, Shenqiang Zhai
J. Semicond. 2023, 44(12): 121901 doi: 10.1088/1674-4926/44/12/121901
研究论文
4 协同运用化学气相沉积与电子束蒸发镀膜技术实现晶圆级PdS2与PdS纳米薄膜的可控制备
图2. (a-c) PdS2纳米薄膜光学显微镜图像，拉曼光谱，原子力显微镜图像；(d-f) PdS2与PdS混合相纳米薄膜光学显微镜图像， 原子力显微镜图像，拉曼光谱；(g-i) PdS纳米薄膜光学显微镜图像, 拉曼光谱，拉曼面扫面图像。文章信息：
Controllable growth of wafer-scale PdS and PdS2 nanofilms via chemical vapor deposition combined with an electron beam evaporation technique
Hui Gao, Hongyi Zhou, Yulong Hao, Guoliang Zhou, Huan Zhou, Fenglin Gao, Jinbiao Xiao, Pinghua Tang, Guolin Hao
J. Semicond. 2023, 44(12): 122001 doi: 10.1088/1674-4926/44/12/122001
5 二维反铁电纤锌矿晶体中可切换的隐藏自旋极化和负泊松比
近些年来，二维反铁电材料成为研究的热点。目前，人们正积极寻找和设计性能卓越的二维反铁电体，尤其在“后摩尔时代”，对于具有多功能性、结构创新和优异性能的反铁电半导体需求日益迫切。虽然近期发现了多种二维铁电材料，如In2Se3、CuInP2S6、磷烯及其衍生物，但二维反铁电材料的报道相对较少。仅有少数范德瓦尔斯材料、无机金属氧化物和有机无机杂化钙钛矿展现了二维反铁电特性，其中多数实验中可用的是大分子铅基钙钛矿。然而，铅的毒性和大分子的引入不利于环境友好型微纳器件的制造。此外，以往理论上提出的二维反铁电材料多显示金属特性或间接带隙的能带结构，这不利于制造高性能半导体器件。因此，设计具有可调特性、优异电子特性和工艺兼容的二维反铁电材料仍面临巨大挑战。
近日，深圳大学黄浦副教授课题组等人从共价化合物的“自愈合”效应中得到启发，发现材料的极化特性可以在“自愈合”过程中有效调节。他们利用单层纤锌矿的内禀“自愈合”特性，通过堆叠极化相反的两层纤锌矿结构，设计出了一种新型的二维纤锌矿反铁电体。这种材料的反铁电极化方向可以在二维平面内进行切换，并展现出强耦合的铁弹性/反铁电性和良好的稳定性。研究的候选材料，包括ZnX和CdX（X = S、Se、Te），均是带边位于Γ点的直接带隙半导体，它们呈现出可切换的反铁电性和铁弹性，低相变势垒，隐藏自旋极化，以及巨大的面内负泊松比。这些特性可以通过反铁电相变实现自旋极化和拉胀特征的共调制。
二维反铁电纤锌矿晶体的发现，不仅为研究二维反铁电性、铁弹性、负泊松比和自旋效应之间的相互作用提供了理想的平台，为纤锌矿半导体中新奇物理效应的探索和器件设计提供了新的启示, 更为基于“自愈合”效应实现半导体直接键合的新型bottom-up制备技术提供了一条新思路。
该文章以题为“Switchable hidden spin polarization and negative Poisson's ratio in two-dimensional antiferroelectric wurtzite crystals”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. （a）反铁电性和铁弹性耦合诱导出可切换的反铁电示意图，其中红色和蓝色箭头表示系统每个子晶格的铁电极化；（b）构筑二维反铁电结构 (阳离子X = Zn, Cd;阴离子Y = S, Se, Te, P2/c对称)，以纤锌矿单层(Pca21对称性)为构筑模块；（c）“自愈合”过程判定以及二维反铁电ZnSe、2L MoS2和2L黑磷中，平均层间原子键合作用力和形成能分别与层间厚度h的关系。
文章信息：
Zhuang Ma, Jingwen Jiang, Gui Wang, Peng Zhang, Yiling Sun, Zhengfang Qian, Jiaxin Zheng, Wen Xiong, Fei Wang, Xiuwen Zhang, Pu Huang
J. Semicond. 2023, 44(12): 122101 doi: 10.1088/1674-4926/44/12/122101
6 集成CMOS多路选择器的SOT-MRAM芯片研制
作为一种新兴的非易失性存储器，磁性随机存取存储器（Magnetic Random Access Memory, MRAM）具有高读写速度、高续航能力、长存储时间和低功耗等优点，引起了科研人员的广泛关注。近年来各大半导体厂商在MRAM领域积极布局，以期替代嵌入式闪存（e-Flash）和传统的静态随机存储器（SRAM）。对于e-Flash而言，其写入方式涉及擦除操作，而每个单元的擦除次数有限，会因擦除次数过多而被磨损，进而影响整个e-Flash的生命周期，同时e-Flash在28 nm工艺节点以下难以微缩，不利于进一步集成。相比之下，MRAM具有近乎无限的写入次数，可微缩性强，因此成为替代e-Flash的理想解决方案。对于SRAM而言，其在先进CMOS工艺节点下的漏电问题愈发严重，且单元面积开销较大，而MRAM因具有非易失性、高集成密度等优势，成为替代SRAM的潜在方案之一。尽管如此，目前量产的Toggle-MRAM和自旋转移矩MRAM（STT-MRAM）受写入速度和可靠性等因素限制，很难取代L1或L2缓存。为了解决以上问题，研究人员提出了新一代的自旋轨道矩MRAM（SOT-MRAM），其读写路径相互分离，且利用自旋轨道耦合效应完成数据写入，从本质上解决了写入速度和写入电流之间难以调和的矛盾，以及由此引发的读错误和隧道结老化问题，从而成为取代L1或L2缓存的唯一技术路径。
然而，SOT-MRAM在全球范围内仍处于实验室研发阶段，目前仅有少数单位完成了小容量芯片的试制工作，尚有集成工艺优化、实现无场翻转、提高开关效率、电迁移等问题需要解决。此前，日本东北大学（Tohoku University）、台积电（TSMC）和中国台湾工研院（ITRI）等研究机构已经证明了SOT器件与CMOS后道工艺良好的兼容性，表征了阵列的部分性能，但缺乏在宽温区范围的性能数据。
近日，一款集成CMOS多路选择器的SOT-MRAM芯片被成功研制，由北京航空航天大学赵巍胜、王昭昊团队完成芯片设计，致真存储研发团队完成8英寸晶圆工艺集成及制造。该芯片实现了1 Kb SOT器件阵列与CMOS多路选择器的片内工艺集成。团队针对该芯片进行了阵列内器件成活率、隧穿磁阻效应（TMR）、宽温区范围内的写入特性等多项测试，结果表明芯片性能达到了国际领先水平。具体来讲，阵列内器件的成活率可达99.6%，未发现明显的短路和断路器件，满足工业生产的要求；TMR大于85%，为感知放大器等外围电路提供了充足的裕度窗口；在百纳秒脉宽下，阵列内器件的写入错误率低于10-6，且未见任何膨胀效应或回跳行为，保证了写入操作的稳定性和可靠性；在从−40 ℃到125 ℃的工业级温度范围内，该阵列可以在20 ns和1.2 V范围内实现写入操作，验证了阵列器件的温度可靠性。
图1. SOT-MRAM 阵列器件实物图与示意图。
图2. SOT-MRAM 阵列器件Rap与Rp 分位图以及Rp-TMR分布图。总体而言，与当前世界上公开报道的几款先进SOT-MRAM相比，本项工作所研制的SOT-MRAM芯片在性能方面展示出较强的竞争力。本项工作的全套工艺自主可控，为SOT-MRAM的工业化、规模化生产铺平了道路，促使SOT-MRAM逐渐从实验室研发阶段走向市场应用阶段。目前，本团队已经完成了128 Kb SOT-MRAM的研制，相关成果将在未来陆续公布。
文章信息：
Demonstration of a manufacturable SOT-MRAM multiplexer array towards industrial applications
Chuanpeng Jiang, Jinhao Li, Hongchao Zhang, Shiyang Lu, Pengbin Li, Chao Wang, Zhongkui Zhang, Zhengyi Hou, Xu Liu, Jiagao Feng, He Zhang, Hui Jin, Gefei Wang, Hongxi Liu, Kaihua Cao, Zhaohao Wang, Weisheng Zhao
J. Semicond. 2023, 44(12): 122501 doi: 10.1088/1674-4926/44/12/122501
7 CdS: Mn纳米颗粒的超精细分裂和铁磁性在光电子器件中的应用
图1. Mn掺杂CdS纳米颗粒的发光机理研究。
文章信息：
Hyperfine splitting and ferromagnetism in CdS : Mn nanoparticles for optoelectronic device applications
Madhavi Sharad Darekar, Praveen Beekanahalli Mokshanatha
J. Semicond. 2023, 44(12): 122502 doi: 10.1088/1674-4926/44/12/122502
8 从黄铜矿二维纳米片到纤锌矿一维纳米棒：铜锌锡硫的可控合成及其在电催化制氢中的应用
电催化水分解制氢被认为是一种高效的可再生能源生产途径。然而，热力学障碍和缓慢的动力学严重阻碍了析氢反应的效率，需要开发高效的电催化剂来克服上述问题。四元铜基硫化物，特别是Cu-Zn-Sn-S纳米晶（CZTS NCs），由于其元素丰富、结构可调、毒性低等优点，被认为是一种有前景的光催化和电催化纳米材料。近年来，研究人员致力于为其开发各种形状、大小和晶态的CZTS纳米材料。众所周知，在生长阶段，配体对不同的晶体有选择性的吸附有助于形成不同尺寸和形态的纳米晶体。其中，油胺（OM）是一种典型的还原性表面活性剂和溶剂，在纳米晶的可控合成中起着重要作用。然而，其调节机制还有待深入探索。因此，设计合理的实验体系来阐明OM在调控CZTS纳米晶体的形状、大小和晶体形式中的关键作用是必不可少的。
近日，北京交通大学唐爱伟教授课题组采用简易的一锅胶体法，在连续添加不同含量的OM下，实现了CZTS纳米晶从二维纳米片到一维纳米棒的结构演化。在此过程中，进一步探讨了OM诱导的形态演化机制。仅以纯的正十二硫醇（DDT）为溶剂，即可得到CZTS纳米片。随着OM的加入，CZTS NCs开始沿着纳米片的两侧生长，并在顶部逐渐收缩，最终形成稳定的纳米棒。在酸性电解质中，添加1.0 mL OM的CZTS NCs与其他CZTS样品相比，表现出最佳的析氢活性，在10 mA/cm2时，过电位为561 mV，Tafel斜率为157.6 mV/dec。其活性的增强可归因于不同晶面的协同作用对反应的贡献。
本工作在纳米晶的合成中引入表面配体油胺，不仅丰富了纳米材料的几何结构，为其它胶体纳米晶的结构设计提供了新的指导，而且为电催化制氢领域开发了新的材料体系。
该文章以题为“From kesterite 2D nanosheets to wurtzite 1D nanorods: controllable synthesis of Cu−Zn−Sn−S and their application in electrocatalytic hydrogen evolution”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. （a-f）OM添加量为0、0.5、1.0、1.5、2.0、3.0 mL时不同形貌CZTS纳米晶的TEM图和（g）XRD图；（h）提出的OM依赖的CZTS纳米晶体生长机制的示意图。
文章信息：
From kesterite 2D nanosheets to wurtzite 1D nanorods: controllable synthesis of Cu−Zn−Sn−S and their application in electrocatalytic hydrogen evolution
Yu Li, Shuaibing Wang, Jie Chen, Ouyang Lin, Zhe Yin, Chunhe Yang, Aiwei TangJ. Semicond. 2023, 44(12): 122701 doi: 10.1088/1674-4926/44/12/122701
9 利用山竹提取物“绿色”合成三维铁酸镁/二氧化钛/还原石墨烯
本文以山竹 (G. mangostana) 提取物作为还原剂，通过“绿色”的水热共沉淀法成功合成了三维多孔铁酸镁/二氧化钛/还原氧化石墨烯 (MgFe2O4-GM/TiO2/rGO (MGTG))。表征结果显示，在还原氧化石墨烯 (rGO) 结构上成功形成了纳米/微米级MgFe2O4 (MFO) 和TiO2。同时，rGO还可以作为有效的支撑物，减少纳米/微米尺度的MgFe2O4 (MFO) 和TiO2的团聚。根据紫外光下对结晶紫 (CV) 的去除率，本文研究了该材料的吸附和光降解活性的协同效应。进一步地，还研究了催化剂用量、CV浓度以及pH值对MGTG去除CV效率的影响。结果表明，MGTG-200的CV光降解与准一级动力学模型一致。研究发现，利用外部磁铁可以轻松地回收材料，在经过10个周期的循环使用后，材料对CV的去除率依然能达到92%。此外，根据不同自由基·O2−、h+及·OH对光降解过程的影响，本文深入探讨了MGTG的光催化机制。根据MGTG对革兰氏阳性菌株金黄色葡萄球菌 (S. aureus) 的抑制作用，还评估了MGTG的抗菌效率，并提出了该材料的抗菌机理。这些结果证明，所制备的材料在废水处理和抗菌活性领域具有广泛的应用潜力。
该文章以题为“Green synthesis of three-dimensional magnesium ferrite/titanium dioxide/reduced graphene from Garcinia mangostana extract for crystal violet photodegradation and antibacterial activity”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. MGTG材料的合成过程。
文章信息：
Green synthesis of three-dimensional magnesium ferrite/titanium dioxide/reduced graphene from Garcinia mangostana extract for crystal violet photodegradation and antibacterial activity
Tong Hoang Lin, Che Quang Cong, Nguyen Thanh Hoai Nam, Hoang An, Nguyen Duy Hai, Ton That Buu, Thoi Le Nhat Binh, Hoang Le Minh, Lam Thanh Ngan, Hoang Thuy Kim Ngan, Du Chi Vi, Ta Dang Khoa, Nguyen Huu Hieu
J. Semicond. 2023, 44(12): 122702 doi: 10.1088/1674-4926/44/12/122702
10 利用高温退火减少(-201) β-Ga2O3衬底经金刚石锯切割后的结构缺陷
用金刚石锯将商用epi-ready (-201) β-Ga2O3晶圆切成2.5 × 3 mm2的薄片，利用X射线衍射和选择性湿法刻蚀技术研究了切割样品的缺陷结构和结晶度。通过计算包括近边缘区域在内的腐蚀坑的平均值，估算出缺陷密度接近109 cm−2。在[-201]晶向上，发现了晶向偏离1−3 arcmin的团块及相对应变约为(1.0−1.5) × 10−4的非化学计量成分/化合物。晶体完整性沿着样品的切割方向明显下降。为了减少样品的结构缺陷数量，提高样品的晶体完整性，本文采用了热退火方法，通过提高缺陷运动迁移率来解决这一问题。在1100 °C温度下退火3小时后，观察到多边化和镶嵌结构形成，并伴有位错壁出现。以非化学计量相和晶相偏离为特征的团块消失。经过11个小时的退火，晶体的均匀性和完整性得到了改善。腐蚀坑的平均密度大幅下降至8 × 106 cm−2。
该文章以题为“High-temperature annealing of (-201) β-Ga2O3 substrates for reducing structural defects after diamond sawing”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. β-Ga2O3晶体样品中晶格晶体基础的方案。“A区”是指水晶完美度较高的中心区域;“B区”是晶体完美度较低的边缘区域。
文章信息：
High-temperature annealing of (-201) β-Ga2O3 substrates for reducing structural defects after diamond sawing
Pavel Butenko, Michael Boiko, Mikhail Sharkov, Aleksei Almaev, Aleksnder Kitsay, Vladimir Krymov, Anton Zarichny, Vladimir Nikolaev
J. Semicond. 2023, 44(12): 122801 doi: 10.1088/1674-4926/44/12/122801
11 用于DRAM的多层堆叠SiGe/Si层外延及SiGe选择性蚀刻研究
目前，动态随机存储器（Dynamic Random Access Memory，DRAM）是集成电路中最大的单品市场。随着5G和人工智能的快速发展，对内存容量的需求不断增加，这也要求DRAM的存储密度不断提高。为了实现这一目标，DRAM通过不断缩小单元面积来提升存储密度。然而，传统DRAM一直沿用垂直的1T1C（一个硅基晶体管加一个电容）单元结构，目前电容器结构的超高高宽比（大于50 : 1）成为器件尺寸继续微缩的巨大挑战之一。基于目前的硅工艺，将传统DRAM中垂直摆放的晶体管和电容器水平放置、多层堆叠，通过增加SiGe/Si膜层堆叠层数提高存储单元密度的方法是目前DRAM存储单元结构三维化发展中较有潜力的方案之一。其中，堆叠外延SiGe/Si多层通道的材料的晶体质量是实现高性能选通晶体管的关键， Si/SiGe多层膜堆叠的层数可以通过外延薄膜生长的周期数来实现，更多的层数堆叠可以有效提高器件的存储密度。此外，在不破坏Si通道形貌的情况下通过高选择比去除SiGe牺牲层也是一个关键工艺，此过程需要精确控制的腐蚀速率、高选择比和硅表面低损伤的刻蚀工艺。
中国科学院微电子研究所先导工艺研发中心助理研究员孔真真、高级工程师李俊杰等人和北京超存储器研究院王桂磊研究员团队合作对垂直堆叠的水平存储单元DRAM中两个关键工艺（Si/SiGe多周期外延和SiGe高选择比腐蚀）进行了系统研究。本实验首先采用减压化学气相沉积(RPCVD)法外延生长15个周期的高质量SiGe/Si 超晶格结构，分析了外延薄膜晶体质量，讨论了周期与周期之间的膜厚、组分差别的成因。然后，比较分析了三种不同的横向刻蚀SiGe牺牲层的方法。采用HRTEM和HRSEM对不同刻蚀方法作用下的Si通道形貌进行了分析验证，同时用HRXRD分析了不同工艺方案对薄膜应变和缺陷演化的影响。并对多种SiGe横向选择性蚀刻方案进行了系统总结。本研究结果将为未来硅基多通道器件的研制提供研究基础和工艺参考。
该文章以题为“Multiple SiGe/Si layers epitaxy and SiGe selective etching for vertically stacked DRAM”发表在Journal of Semiconductors上。
图1. 不同SiGe厚度 (a) 20 nm, (b) 40 nm 和 (c) 60 nm的外延SiGe/Si超晶格TEM图。
图2. (a) 干法蚀刻，(b) 湿法蚀刻和 (c) 40 cycles ALE刻蚀选择性释放SiGe的SEM横截面图。
文章信息：
Multiple SiGe/Si layers epitaxy and SiGe selective etching for vertically stacked DRAM
Zhenzhen Kong, Hongxiao Lin, Hailing Wang, Yanpeng Song, Junjie Li, Xiaomeng Liu, Anyan Du, Yuanhao Miao, Yiwen Zhang, Yuhui Ren, Chen Li, Jiahan Yu, Jinbiao Liu, Jingxiong Liu, Qinzhu Zhang, Jianfeng Gao, Huihui Li, Xiangsheng Wang, Junfeng Li, Henry H. Radamson, Chao Zhao, Tianchun Ye, Guilei Wang
J. Semicond. 2023, 44(12): 124101 doi: 10.1088/1674-4926/44/12/124101
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