半导体晶片霍尔效应测试仪

【科学背景】近年来，尽管量子霍尔效应的线性响应特性得到了广泛研究，但高阶非线性响应仍然是一个未被充分探索的领域。特别是在二维材料如石墨烯中，量子霍尔态的非线性响应尚未被深入研究。量子霍尔态不仅具有绝缘体体和导电手性边缘态的特征，而且在不同的量子霍尔态下，可能会表现出复杂的非线性行为，这些行为对于理解边缘态的电子-电子相互作用具有重要意义。为了解决这一问题，为了解决这一问题，复旦大学何攀, 沈健，日本九州大学Hiroki Isobe，新加坡国立大学Gavin Kok Wai Koon，Junxiong Hu，日本理化研究所新兴物质科学中心Naoto Nagaosa等教授合作发现，在石墨烯的显著量子霍尔态下，存在明确的第三阶霍尔平台。这一平台在广泛的温度、磁场和电流范围内保持稳定，并且在不同几何形状和堆叠配置的石墨烯中均可观察到。第三阶霍尔效应的高度对环境条件不敏感，但与器件特性相关。此外，第三阶非线性响应的极性受磁场方向和载流子类型的影响。作者的研究揭示了量子霍尔态的非线性响应是如何依赖于器件特性的，并提出了一个新的视角来理解边缘态的性质。【科学亮点】（1）实验首次观察到石墨烯中量子霍尔态的第三阶霍尔效应，获得了第三阶霍尔效应的清晰平台。该平台在显著的量子霍尔态（\( \nu = \pm 2 \)）中展现出，且在广泛的温度、磁场和电流范围内保持稳定。（2）实验通过测量不同几何形状和堆叠配置的石墨烯器件，发现第三阶霍尔效应的平坦值与环境条件无关，但与器件特性相关。具体结果包括：&bull 第三阶霍尔效应的电压平台高度与探针电流的立方成正比，而第三阶纵向电压保持为零。&bull 该效应在磁场变化（至约5T）和温度变化（至约60K）下保持稳健。&bull 第三阶非线性响应的极性依赖于磁场方向及载流子类型（电子或空穴），并且其值在反转磁场方向时会改变符号。&bull 非线性霍尔平台的稳健性提供了关于边缘态的新见解，并可能违背量子霍尔电阻的精确量化。【科学图文】图1：在经典和量子域中，线性霍尔效应和非线性霍尔效应示意图。图2：在量子霍尔态quantum Hall states，QHSs内，三阶非线性霍尔平台的观测结果。图3：在量子霍尔态QHSs内，三阶霍尔效应的立方电流依赖性。图4：磁场和温度，对量子霍尔态QHS三阶非线性响应的影。【科学启迪】本文的研究为量子霍尔效应（QHE）中的非线性响应提供了新的视角，揭示了量子霍尔态（QHSs）中第三阶霍尔效应的显著平台。这一发现不仅扩展了作者对量子霍尔现象的理解，也对探索二维材料中的非线性电输运提供了新的途径。首先，实验首次在单层石墨烯中观察到稳定的第三阶霍尔效应平台，表明在量子霍尔态下，电子之间的相互作用可能导致非线性现象的出现。这种非线性响应在不同环境条件（如磁场和温度）下保持稳定，且在多种几何形状和堆叠配置的石墨烯器件中均能观察到。这表明该效应具有较强的普适性和稳健性。其次，研究发现第三阶霍尔效应的电压平台与探针电流立方成正比，而其幅度对环境条件变化表现出较强的稳健性。这一特性挑战了量子霍尔电阻的精确量化，提示作者在量子霍尔态的研究中需要考虑更高阶的非线性效应。这种非线性响应的发现不仅提供了关于边缘态性质的新见解，还可能揭示出与传统线性量子霍尔效应不同的物理机制。此外，本文的研究结果对未来探索量子霍尔系统的高阶响应具有重要启示。其他填充因子的量子霍尔态中的非线性响应，以及在其他量子霍尔系统中的应用，仍需进一步研究。这一发现为理解电子-电子相互作用、边缘态带曲率等物理现象提供了新的方法，也可能为研究分数量子霍尔效应的非线性响应开辟新的方向。原文详情：He, P., Isobe, H., Koon, G.K.W. et al. Third-order nonlinear Hall effect in a quantum Hall system. Nat. Nanotechnol. (2024). https://doi.org/10.1038/s41565-024-01730-1

p & nbsp & nbsp & nbsp & nbsp 5月26日，中国科学院条件保障与财务局组织专家对中国科学院新疆理化技术研究所承担的中科院科研装备研制项目“晶片级器件辐照及辐射效应参数提取设备”进行了验收。 /p p 　　验收专家组现场考核了仪器设备的技术指标，认真听取了项目工作报告，经质询和讨论，专家组一致认为该设备同时实现了晶片级器件辐照试验、器件特性参数在线提取功能，在国内率先突破了晶片级器件加电偏置辐照技术，为器件辐射效应精确建模、商用代工线的抗辐射性能评估提供了有效的测试手段 研制的设备可适用不同种类器件的辐照，具有结构一体化、操作自动化的特点，全部技术指标均达到或优于预期目标。之前国内由于不具备适用于器件辐射效应提参建模的试验平台，无法在器件设计、流片阶段给出加固建议，评估抗辐射性能，一定程度上增加了研发成本，延长了生产周期。该设备突破了这一技术瓶颈，填补了该领域的国内空白，为晶片级器件辐照、提参提供试验条件，形成面向抗辐射器件研制全过程的辐射效应试验评估、提参建模共性技术服务平台，为元器件设计加固工艺的发展提供试验技术支撑。 /p p 　　该设备已成功应用于中科院微电子研究所、中电集团44所、杭州电子科技大学、长光辰芯光电公司等单位的微纳MOS器件、CCD器件、CMOS图像传感器、半导体射频电路的辐射效应评估验证，获得了用户的高度认可，为国产抗辐射器件的研制与试验评估提供了有效的试验手段。 /p p br/ /p

【研究背景】随着氮化镓（GaN）材料在光电子和高频电子器件中的广泛应用，单片集成氮化镓高电子迁移率晶体管（HEMT）和发光二极管（LED）的双电子结构（dualtronics）因其潜在的多功能性而成为研究热点。然而，该技术在器件集成和性能优化方面面临挑战，例如不同极性的材料间的互操作性和高效性的问题。为此，康奈尔大学Len van Deurzen团队提出了一种新的集成策略，通过利用GaN基底的导电特性，实现HEMT与LED的共存与功能耦合。这项研究表明，该双电子结构不仅在光电性能上显著提升，同时还实现了在同一片晶圆上同时操作电子和光子，开辟了微型LED与透明薄膜晶体管（TFT）集成的新路径。研究成果显示，这种单片集成技术能够有效降低器件尺寸和成本，同时提高器件的整体效率，为未来的光电集成电路和通信系统的开发提供了新的技术基础。【仪器解读】本文通过双电子结构的原理，具体来说，结合氮极和金属极的特性，首次研发了单片HEMT-LED设备，从而表征发现了背栅效应的可调控制，最终揭示了这一新型双电子装置在光电集成电路中的潜力。针对HEMT-LED的集成现象，本文通过电气特性分析，得到了高效的光输出和灵活的开关性能，进而挖掘了在相同基板上实现微型LED和透明TFT的可能性。在此基础上，通过电流-电压特性、光电发射测量及扫描探针显微镜等表征手段，着重研究了双电子器件在集成光电功能中的优势。该研究不仅提供了新型器件的结构和功能设计思路，还展示了通过控制背栅电压实现电流调节的创新方案，进一步推动了宽带隙氮化物半导体在现代电子和光电应用中的发展。这一工作为未来更高效的微型光电集成系统奠定了基础。【图文解读】图1：HEMT-LED的等离子体辅助分子束外延生长示意图。图2：双电子外延异质结构的STEM成像。图3：双电子器件的制作和成像。图4：HEMTs和LEDs独立工作时的器件特性。图5：HEMT-LED单片开关测量。【结论展望】本研究通过双电子结构（dualtronics）实现了单片集成的高电子迁移率晶体管（HEMT）和发光二极管（LED），展示了新型电子与光电器件的融合潜力。通过有效利用GaN基底的N极和金属极面，研究人员在同一晶圆上实现了光电功能的多样化。这种集成方式不仅减少了组件数量，从而节省了空间和成本，还克服了传统器件制造中常见的接触降解和光发射衰减等问题。此外，双电子结构的应用为实现新的功率电子和射频电子器件提供了新的可能性，尤其是在无线通信和传感领域。通过结合声学、微波和光学技术，研究结果预示着未来在信息处理与传输方面的创新突破。文献信息：van Deurzen, L., Kim, E., Pieczulewski, N. et al. Using both faces of polar semiconductor wafers for functional devices. Nature (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07983-z