LDMAS2021低维半导体电子/光电子器件分论坛成功举办

近日，2021年第四届低维材料应用与标准研讨会（LDMAS2021）在北京西郊宾馆成功召开。会议吸引了低维材料与器件相关领域的400余名专家学者与企业代表出席，云端参会人数超过1万人。

会议同期举办5个不同主题的分会场，仪器信息网编辑对“第2分论坛：低维半导体电子/光电子器件分论坛”进行了跟踪报道。该会场共安排了16个邀请报告和6个青年论坛报告，相继由北京大学集成电路学院研究员黄芊芊、中国科学院半导体所研究员赵德刚、中国科学院半导体研究所研究员薛春来、华中科技大学光学与电子信息学院/武汉光电国家研究中心副教授叶镭和北京化工大学教授邵晓红主持；内容精彩纷呈，得到与会观众的高度关注。以下为此分会场的部分报告集锦，以飨读者。

报告题目：GaN 基材料与激光器

报告人：中国科学院半导体所研究员 赵德刚

氮化镓（GaN）材料被称为第三代半导体，GaN基激光器在激光显示、激光照明、激光加工等领域重要的应用价值，材料生长与器件工艺是基础和关键。

在材料方面，赵德刚课题组提出了独特的MOCVD外延方法，生长出高质量的GaN材料，室温下电子迁移率超过1000 cm2/Vs，这是目前国际上公开报道的最好结果；发现并抑制了碳杂质对p-GaN材料的补偿效应，提出了少量掺氧的p型杂质激活方法，解决了p型掺杂问题；还发现了GaN材料“黄光峰”与碳杂质和刃位错紧密相关。在器件方面，利用碳杂质实现了良好的p-GaN欧姆接触特性；掌握了InGaN量子阱界面控制方和局域态调控方法，并生长出高质量的InGaN量子阱材料；研究了InGaN波导层的生长技术，有效抑制了表面V型坑缺陷的形成；提出了降低吸收损耗、抑制电子泄漏的多种激光器新结构，提高了器件性能，研究了激光器物理，发现了GaN基激光器失效机制。

研制出我国第一只GaN基紫外激光器，目前连续功率输出920mW，进一步实现了366nm的GaN基紫外激光器电注入激射，并研制出室温连续激射功率6W的蓝光激光器。

报告题目：基于低维硅材料的异质结构及其光电神经突触器件

报告人：浙江大学教授 皮孝东

由于基于传统的冯·诺依曼架构的计算的发展面临着高功耗等瓶颈问题，新型计算如神经形态计算正受到人们越来越多的关注。在生物神经系统中，信号的传递都是通过神经突触实现的，因此模拟生物神经突触的神经突触器件成为了发展神经形态计算所必需的核心器件。生物神经系统中的信号主要是电信号，所以早期的研究人员主要研究电刺激-电输出的电子神经突触器件。然而，光电集成特别是硅基光电集成的发展表明，神经形态计算将来若能建立在光电集成的人工神经网络之上，其性能将比只依赖于电集成的更加卓越。这导致近年来研究人员考虑到将光信号引入神经突触器件中，制备光电神经突触器件，进而构建光电集成的人工神经网络。对于光电神经突触器件，如果它们基于硅，研究人员就有望充分利用硅成熟的器件制备和集成工艺，推动光电集成的神经形态计算的快速发展。报告中，皮孝东主要介绍近年来基于低维硅材料如硅量子点和硅纳米膜，与新型半导体材料如二维半导体材料、有机无机杂化钙钛矿、有机半导体等构建异质结构，制备光电神经突触器件，实现对一系列生物突触行为的模拟。

报告题目：基于二维层状半导体的偏振光探测器

报告人：中国科学院半导体研究所研究员 魏钟鸣

近年来，二维材料由于其独特的光电性能而受到了广泛的关注。相比于零带隙的石墨烯，二维半导体材料如MoS2，WSe2等具有一定宽度的带隙，使其可以广泛应用于各种光电器件（包括存储器、探测器和晶体管等）。魏钟鸣课题组针对二维半导体及光电器件进行了长期的探索，围绕材料的设计、制备和器件应用已经取得一些进展，部分材料在场效应晶体管和光探测器等方面显示出较好的性能。作为一种特殊的光电器件，偏振光探测器在光通信、成像等领域有非常重要的应用，魏钟鸣在报告中主要针对新型二维半导体在偏振光探测方面的原型器件和工作机理进行汇报。发现具有二维层状堆积晶体结构和面内各向异性的GeSe与GeAs等材料表现出优异的偏振光探测性能，并且探测波段从可见区覆盖到红外区，这两种材料都在808 nm的短波近红外区获得最优性能。

报告题目：高性能低维半导体器件

报告人：北京大学微纳电子学系研究员 吴燕庆

超薄二维材料体系具有丰富的能带结构与优异的电学特性，可用来实现高性能逻辑、射频与存储器件。其超薄体特性可在超短沟器件中有效抑制短沟道效应。基于二维材料体系的垂直范德华异质结可突破传统体材料异质结的结构限制，实现超越传统器件的功能，并大幅提升性能。纳米尺寸的短沟道器件以及与硅基工艺相兼容的二硫化钼晶体管具有优异的输出特性，其输出电流可超过1mA/µm。基于大面积生长工艺的双层二硫化钼射频晶体管的最大振荡频率峰值可达到23 GHz，基于柔性衬底的混频器也可工作在GHz频段。基于面内各向异性最佳输运方向，沟长为100 nm的黑磷晶体管室温驱动电流达到1.2 mA/ µm，20 K时进一步提高到1.6 mA/µm。室温下其弹道输运效率达到36%，在低温20 K时提高到79.4%。

基于上述两种二维材料的范德华异质结可实现电压可调的可重构多值逻辑，并且在超浅垂直异质结中可实现超高整流比与开关比。因此基于范德华异质结的量子隧穿器件具有优异的特性和极大的潜力。此外，在基于超薄4nm的氧化铟锡半导体的短沟道器件中实现了开关比超越1010的超低功耗器件，最短沟长可以达到10nm，并且实现了相关的环振电路，振荡频率为氧化物半导体中最高。并实现了极高的反相器增益及射频增益。低维材料高性能电子器件可为未来后摩尔时代提供具有应用潜力的新一代电子器件。

报告题目：低维半导体载流子动力学调控

报告人：南京大学教授 王枫秋

低维半导体是发展新一代微纳电子和光电子器件的重要技术路径。从微观层面操控低维半导体载流子及载流子激发态的基本性质（如迁移率、寿命、弛豫通道、极化率等），是提升器件宏观性能并发展新原理光电器件的关键。近年来，王枫秋课题组聚焦二维半导体、碳基材料及其异质结构，深入开展限域体系载流子弛豫机制和新型光电器件研究，主要代表成果：（1）提出系列具有普适性的载流子动力学调控策略，实现了两类重要体系载流子寿命宽谱、大范围调制，一项成果入选“2017中国光学十大进展”。（2）首创全碳异质薄膜光探测器结构，解决光电导增益和响应速度协同优化难题，率先实现“光学神经元”新概念器件。（3）发展了低维半导体超快光开关技术，突破宽波段覆盖和参数精控两大实用化技术瓶颈，多项指标保持世界纪录。

报告题目：新型二维半导体在集成电路中的可行性和优势

报告人：复旦大学研究员 包文中

近年来作为学术界研究热点的二维材料，也逐渐引起了工业界的关注。最新的国际器件与系 统发展路线图（IRDS 2020）高度评价了二维半导体材料在未来集成电路中应用于叠层纳米片晶体管及其他新型能带调控器件的巨大潜力。在此背景下，包文中课题组在实现批量生长高质量晶圆级二维材料的基础上，系统性的发展了多个可实用的工艺新方法，包括有效的掺杂、金半接触和栅介质生长等分立工艺。在此基础上开创性的提出了二维材料工艺集成的新方法，从而开发了二维材料的集成电路成套流片工艺。结合器件紧凑模型和电路仿真优化，我们成功制作了传统的数字、模拟、存储电路；同时，还充分发挥二维材料的独特优势，提出多种开创性的器件结构。

报告题目：硅/石墨烯宽光谱红外探测器

报告人：浙江大学教授 徐杨

徐杨课题组研究了一种用于中红外光电探测的宏观组装石墨烯（MAG）纳米膜/硅异质结。高结晶度的MAG通过氧化石墨烯的可扩展湿法组装，然后进行热退火制备，厚度可调（14-60 nm），尺寸可以达到2 英寸。MAG/Si肖特基二极管在室温下响应波段范围为1- 4 μm，具有高速响应（120-130 ns，4 mm2窗口）和高探测率（1.5 μm波长下为1011 Jones），其瞬态光电流性能优于单层石墨烯/硅光电探测器2个数量级以上。这种光电性能归功于MAG的优越优势（~ 40%的光吸收、~ 23 ps 的载流子弛豫时间、相对较低的功函数 (4.52 eV) 和高准平衡热载流子倍增增益）、原子尺度的异质结接触界面，以及来自硅的碰撞电离雪崩倍增增益（~102倍）。MAG提供了一个了解2D材料中的热载流子动力学的平台，也为探索新型室温下宽光谱碳硅融合的图像传感器提供了研究基础。

报告题目：局域场调控红外探测器研究进展

报告人：中科院上海技物所青年研究员 王鹏

随着半导体技术的快速发展，光电探测技术取得了长足进步。其中，以Si、InGaAs、HgCdTe等为代表的传统半导体薄膜光电探测器以其成熟的集成技术与稳定的探测性能在商业化产品与国防军工等领域占据主导地位，且已广泛应用于地球观测、环境监测、目标识别、空间遥感等领域。目前，新一代光电探测技术正朝着高性能、大面阵、低噪声以及高工作温度等方向发展，对光电探测材料与器件提出了更高的要求。

低维半导体材料表现出明显区别于经典体系的物性特征，载流子输运、光学跃迁等物理行为具有可控的量子特性，产生许多新颖的物理性质和效应，并以此形成的具有颠覆性意义的光电技术在性能指标上超越传统器件的理论极限，对现有红外探测体系是很好的补充。因此，不断深入和优化现有材料体系的同时，持续开展新材料、新结构的研究和开发，是光电探测器技术发展的必然要求。本次报告将围绕新一代红外探测器技术的发展需求，介绍当前研究现状，汇报我们在局域场调控红外探测器研制与新颖探测机理研究等方面进展。