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面向科技前沿,聚焦人工晶体,汇集研究新进展!

一周晶体前沿,一周一期介绍国际权威期刊近期刊发的晶体类精选论文。为方便广大读者浏览,我们已将其摘要译成中文。本期推出由哈尔滨工业大学宋波教授精心整理的第三代半导体研究前沿。

索引

1. 具有超过200 cm2 V−1 s−1迁移率的静电门控β-Ga2O3薄膜中的等离子体-声子耦合

2. 基于压电隧穿结的高灵敏应变传感器

3. 4°离轴4H-SiC外延GaN的应变释放

4. Pt/AlGaN纳米结构:高响应,自供电紫外光电探测

5. 自组装GaN/AlN量子点的单光子发射和复合动力学

6. 一种具有增强光电响应的的石墨烯量子点/β-Ga2O3异质结构日盲光电探测器

具有超过200 cm2 V−1 s−1迁移率的静电门控β-Ga2O3薄膜中的等离子体-声子耦合

近日,来自美国明尼苏达大学化学工程与材料科学系的Anil Kumar Rajapitamahuni研究团队制备了利用离子凝胶调控栅极电压的Ga2O3薄膜基晶体管,通过霍尔效应测试并结合双通道传导模型和托马斯·费米近似研究,发现栅极电压可以通过离子凝胶静电通道对Ga2O3薄膜进行电子掺杂,同时在等离子体-声子耦合的作用下,Ga2O3薄膜的载流子迁移率得到有效增强,在300 K时达到201 cm2 V−1 s−1。研究结果表明等离子体-声子耦合对Ga2O3薄膜的电子输运特性起着至关重要的作用。相关研究成果以“Plasmon−Phonon Coupling in Electrostatically Gated β‑Ga2O3 Films with Mobility Exceeding 200 cm2 V−1 s−1”为题,在ACS Nano (IF 15.722)上发表。

摘要:

单斜相β-Ga2O3是一种超宽带隙半导体,近年来得到广泛研究。然而,在不引入化学无序的前提下,由于难以获得更高的载流子密度,有关其电子输运特性的等离子体-声子耦合的基础研究一直无法实现。在这里,我们基于离子凝胶门控电双层晶体管,报道了一种可以对β-Ga2O3薄膜进行高度可逆性静电掺杂的研究。通过结合变温霍耳效应测量、输运建模和基于从头计算的电子声子散射率的综合迁移率计算,我们发现由于等离子体-声子耦合,室温迁移率提高到201 cm2 V−1 s−1,并随着载流子密度的增加而快速下降。模型和实验数据进一步揭示了混合等离子体激元声子模式动态屏蔽所产生的重要的电子-声子相互作用反屏蔽效应。计算表明,如果等离子体能量能够超过最高能量LO模式的高电子密度(>1020 cm-3),则室温迁移率可显著提高到300 cm2 V−1 s−1。由于Ga2O3和其他极性半导体在一些器件应用中发挥着重要作用,通过深入研究等离子体-声子耦合的基本原理,可以促使我们通过动态分析电子-声子相互作用来提高器件的载流子迁移率。


文章信息:

Anil Kumar Rajapitamahuni, Anusha Kamath Manjeshwar, Avinash Kumar, Animesh Datta, Praneeth Ranga, Laxman Raju Thoutam, Sriram Krishnamoorthy, Uttam Singisetti, and Bharat Jalan. Plasmon−Phonon Coupling in Electrostatically Gated β‑Ga2O3 Films with Mobility Exceeding 200 cm2 V−1 s−1[J]. ACS Nano., 2022.

DOI: 10.1021/acsnano.1c09535


基于压电隧穿结的高灵敏应变传感器

近日,来自兰州大学材料与能源学院纳米科学与纳米技术研究所的秦勇研究团队研制了一种基于压电电子学隧道结Ag/HfO2/n-ZnO的应变传感器,由于压电极化电荷对隧穿势垒高度和宽度的协同调控作用,该器件在拉伸应变为0.1%时表现出很高的灵敏度,开关比为478.4,应变系数为4.8×105。与传统基于肖特基势垒的应变传感器以及其他一些现有的ZnO纳米线或纳米带传感器相比,具有很大的应变传感优势。该工作有利于我们进一步了解压电效应与隧穿效应之间的耦合,可用于高性能压电电子学器件和应变传感器的开发。相关研究成果以“Highly sensitive strain sensors based on piezotronic tunneling junction”为题,在Nat. Commun. (IF 14.919)上发表。

摘要:

压电技术具有构建电子/机器与人/环境之间自适应和无缝交互的能力,在物联网、人工智能和生物医学工程领域具有重要价值。本文报道了一种基于压电隧道结(Ag/HfO2/n-ZnO)的高灵敏度应变传感器,该传感器利用应变诱导的压电电位并行控制隧穿势垒的高度和宽度,协同调节电传输过程。该压电隧道应变传感器具有很高的灵敏度,在拉伸应变为0.1%时,开关比为478.4,应变系数为4.8×105,这些数值与对照组中传统肖特基势垒的应变传感器以及一些基于ZnO纳米线或纳米带的传感器相比超过17.8倍。本工作深入了解了压电隧穿结调制的基本机理,实现了器件尺度上的压电隧道结高灵敏应变传感器,在先进微/纳米机电器件和系统中具有巨大的应用潜力。


文章信息:

Qiuhong Yu, Rui Ge, Juan Wen, Tao Du, Junyi Zhai, Shuhai Liu, Longfei Wang and Yong Qin. Highly sensitive strain sensors based on piezotronic tunneling junction[J].Nat. Commun., 2022.

DOI: 10.1038/s41467-022-28443-0


4°离轴4H-SiC外延GaN的应变释放

近日,来自香港科技大学电子与计算机工程系的陈敬研究团队在常规4°离轴4H-SiC衬底上外延生长具有高结晶质量的p-GaN/AlGaN/GaN/AlN异质结,研究发现基于该GaN异质结所制备的混合场效应晶体管(HyFET)具有高电子迁移率和优异的电力电子性能。本文结合两种主流宽禁带半导体材料(GaN和SiC)的优点,生长了具有高结晶质量的GaN/SiC异质结构,为高性能功率器件的设计与制备提供了有效的途径。相关研究成果以“Strain Release in GaN Epitaxy on 4° Off-Axis 4H-SiC”为题,在Adv. Mater.(IF 30.8)上发表。

摘要:

结合两种典型的宽带隙半导体材料氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)的优点,可以制造出一种适用于电力电子应用的混合场效应晶体管(HyFET)。然而,外延技术中的不致密性阻碍了HyFET的发展——GaN通常生长在包括SiC在内的轴上外来基片上,而SiC同质外延更适合离轴基片。本文展示了一种在常规4°离轴4H-SiC衬底上外延生长GaN而形成的异质结构,该异质结表现出较高的结晶质量,并适合用于构建GaN基高电子迁移率晶体管,从而为实现HyFET提供了一种切实可行的有效途径。同时,本文还提出了一种独特的两步双轴应变松弛过程,并对其进行了综合表征。


文章信息:

Sirui Feng, Zheyang Zheng, Yan Cheng, Yat Hon Ng, Wenjie Song, Tao Chen, Li Zhang,Kai Liu, Kai Cheng, and Kevin J. Chen. Strain Release in GaN Epitaxy on 4° Off-Axis 4H-SiC[J]. Adv. Mater., 2022.

DOI: 10.1002/adma.202201169


Pt/AlGaN纳米结构:高响应,自供电紫外光电探测

近日,来自中国科学技术大学微电子学院的孙海定研究团队制备了利用表面铂(Pt)装饰的Si基自组装AlGaN纳米结构的日盲光电化学型光电探测器(PEC-PD),该探测器基于材料的高结晶质量、快速界面动力学和高载流子分离效率,不仅具备自供电特性,同时还具有45 mA/W的高响应度和无驱动电压的47/20 ms响应速度。本文通过采用无缺陷的宽禁带半导体纳米结构和适当的表面装饰,为Si基高效节能的大规模光电系统制备提供了机会。相关研究成果以“Pt/AlGaN Nanoarchitecture: Toward High Responsivity, Self-Powered Ultraviolet-Sensitive Photodetection”为题,在Nano Lett. (IF 12.279)上发表。

摘要:

节能型光电探测器是未来光子系统的关键部件。特别是自供电的光电化学型光电探测器(PEC-PD),它完全脱离了经典的固态结器件,由于其可以满足下一代电力独立和环境敏感的光电探测需求,最近引起了人们的强烈研究兴趣。在此,我们首次构建了Si基自组装AlGaN纳米结构的日盲PEC PD。重要的是,通过适当的表面铂(Pt)装饰,我们将光子响应率提高了一个数量级以上,并在新构建的Pt/AlGaN纳米体系结构探测器上实现了45 mA/W高响应度和无驱动电压的47/20 ms快速响应/恢复时间。这么高的日盲检测能力源于无与伦比的材料结晶质量,快速界面动力学和高载流子分离效率,所有这些表明采用无缺陷的宽带隙半导体纳米结构和适当的表面装饰可以为未来在Si基上设计高效节能和大规模光电系统提供前所未有的机会。


文章信息:

Danhao Wang, Xin Liu, Shi Fang, Chen Huang, Yang Kang, Huabin Yu, Zhongling Liu, Haochen Zhang, Ran Long, Yujie Xiong, Yangjian Lin, Yang Yue, Binghui Ge, Tien Khee Ng, Boon S. Ooi, Zetian Mi, Jr-Hau He, and Haiding Sun. Pt / AlGaN Nanoarchitecture: Toward High Responsivity, Self-Powered Ultraviolet-Sensitive Photodetection[J]. Nano Lett., 2022.

DOI: 10.1021/ acs.nanolett.0c03357


自组装GaN/AlN量子点的单光子发射和复合动力学

近日,来自瑞士洛桑联邦理工学院物理研究所的Nicolas Grandjean研究团队制备了自组装GaN/AlN量子点,并通过对其单个量子点的光致发光特性进行研究发现,单个量子点的最佳单光子纯度g(2)(0)在温度为5 K时为0.05±0.02,在300 K时为0.17±0.08。本文为室温下的单光子源应用提供了可能性。相关研究成果以“Single photon emission and recombination dynamics in self-assembled GaN/AlN quantum dots”为题,在Light Sci. Appl. (IF 17.782)上发表。

摘要:

III族氮化物量子点(QDs)由于其在室温下具有能够保持单光子发射的能力而被广泛研究。本文报道了在5~300 K下,自组装GaN/ AlN量子点的发光特性。通过追踪单个QD的光致发光特性,我们测量得到最佳单光子纯度g(2)(0)在温度为5 K时为0.05±0.02,在300 K时为0.17±0.08。为了进一步研究这种极性零维纳米结构的激子复合动力学,我们在量子点系统上进行了时间分辨变温光致发光测试(TRPL)。通过与过去的报告相比较,我们强调了这个系统中重组过程的复杂性。与更传统的单指数衰减型激子重组不同的是,TRPL瞬态测试显示了持续在低激发体制中双指数特征,包含短寿命和长寿命。从长寿命激子的温度不敏感性出发,我们首次抛弃了激子再组合过程中暗到亮状态填充的相互作用。此外,这种温度不变性还使非辐射激子重组的缺失更加突出,这可能是在300 K温度下的GaN/AlN量子点中观察到的强载流子约束的直接结果。总之,我们的结果支持这些量子点在室温下作为一个潜在单光子源应用的可行性。


文章信息:

Johann Stachurski, Sebastian Tamariz, Gordon Callsen, Raphaël Butté and Nicolas Grandjean. Single photon emission and recombination dynamics in self-assembled GaN/AlN quantum dots[J]. Light Sci. Appl., 2022.

DOI: 10.1038/s41377-022-00799-4


一种具有增强光电响应的的石墨烯量子点/β-Ga2O3异质结构日盲光电探测器

近日,来自复旦大学的卢红亮研究团队在剥离的β-Ga2O3纳米片上沉积了石墨烯量子点(GQDs),制备了GQDs/β-Ga2O3异质结构光电探测器,由于GQDs的引入增强了光吸收和电子-空穴对的生成,该器件具有日盲、超高响应度(R= ~2.4×105 A/W)和较快的响应速度(150 ms)等优点,相比仅β-Ga2O3光电探测器,在性能上有很大的提升。本文为研发高性能的深紫外光电探测器提供了一种有效的解决措施。相关研究成果以“A Heterostructured Graphene Quantum Dots/β-Ga2O3 Solar-Blind Photodetector with Enhanced Photoresponsivity”为题,在ACS Appl. Mater. Inter. (IF 9.227) 上发表。

摘要:

准二维β-Ga2O3的优异光学和电子特性,使其适合于日盲(200~280 nm)光电探测器(PD)。金属-半导体-金属(MSM)光电探测器通常具有光响应性低、响应速度慢、探测波长范围窄等缺点。本文中,我们通过将剥离得到的β-Ga2O3薄片与零维石墨烯量子点(GQDs)集成在一起,制备了一种高性能的MSM PD,该光电探测器同时具备增强光电响应度、缩短光响应时间和激发广泛光子探测的优点。混合GQDs/β-Ga2O3异质结构光电探测器对深紫外(DUV)光(250 nm)相当敏感,并具有超高的光电响应(R= ~2.4×105A/W)、较大的探测能力(D* = ~4.3×1013 Jones)、优异的外量子效率(EQE = ~1.2×108%)和较快的光电响应速度(150 ms),优于仅β- Ga2O3光电探测器。这些改进源于有效的电荷转移,GQDs的引入增强了光吸收和电子-空穴对的生成。此外,GQDs/β-Ga2O3 PD在1000 nm波长处的光电性能也仅优于β-Ga2O3光电探测器。综上所述,GQDs/β-Ga2O3 DUV光电探测器在商业光电产品中具有潜在的应用前景,为高性能光电探测器的设计和制备提供了一种可选的解决方案。


文章信息:

Guang Zeng, Xiao-Xi Li, Yu-Chun Li, Ding-Bo Chen, Yu-Chang Chen, Xue-Feng Zhao, Na Chen, Ting-Yun Wang, David Wei Zhang, and Hong-Liang Lu. A Heterostructured Graphene Quantum Dots/β-Ga2O3 Solar-Blind Photodetector with Enhanced Photoresponsivity[J]. ACS Appl. Mater. Inter., 2022.

DOI: 10.1021/acsami.2c00671


编译 波

编辑李爱娟


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