中山大学光电材料与技术国家重点实验室，中山大学材料学院，广东 深圳 518107
极紫外探测器在电子工业、空间探索、基础科学等领域有着无法替代的作用。本文综述了不同类型极紫外探测器的优势及研究进展，包括气体探测器、闪烁体、微通道板以及半导体极紫外探测器，重点介绍了具有优异抗辐照能力的宽禁带半导体极紫外探测器及其潜在的应用优势。最后，本文展望了极紫外探测器在耐辐照功率监测、高分辨极紫外成像和高抑制比极紫外微光探测等方面的应用前景，并指出了其面临的主要挑战。
探测器 极紫外 闪烁体 气体探测器 宽禁带半导体探测器
强激光与粒子束
2024, 36(1): 013005
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院 物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
常规的分布式布拉格反射（DBR）半导体激光器中，增益区域所对应的自由谱间距应大于DBR高反射率带宽的1/2，以获得稳定的单模激射。该条件限制了DBR激光器的阈值和功率特性。文章首次提出并实现了基于DBR选模的太赫兹量子级联激光器（THz-QCL），并突破了上述限制。作者所实现的THz-QCL采用脊波导结构，利用解理腔面和DBR反射镜构成谐振腔，利用有源区增益谱较窄的特点，通过调整DBR反射率谱使增益谱与DBR高反射带在频域中部分重叠，从而获得了单模激射的THz-QCL。该方案使得DBR高反射带显著宽于自由谱间距，即显著提高了激光器中增益区域的长度，从而降低阈值并提高功率特性。实验上，作者研制出增益区域长达3.6 mm的DBR激光器，单模激射的频率为2.7 THz，边模抑制比达到25 dB，该激光器的阈值和温度特性与相同材料制备的法布里-泊罗腔多模激光器相当。文章中的工作为实现高性能单模太赫兹量子级联激光器提供了新的研究思路。
半导体激光器 量子级联 太赫兹 分布式布拉格反射镜 单模 光子禁带 semiconductor lasers quantum cascade terahertz distributed Bragg reflector single mode photonic band gap
1 山东大学，新一代半导体材料研究院，晶体材料国家重点实验室，济南 250100
2 山东工业技术研究院，济南 250100
本文使用导模(EFG)法生长了Ni掺杂β-Ga2O3单晶，并通过粉末X射线衍射(PXRD)和劳厄衍射(Laue diffraction)分别验证了其晶体结构和晶体质量。进一步通过紫外-可见-近红外透过光谱及红外透过光谱研究了Ni2+掺杂对β-Ga2O3光学特性的影响，发现其(100)面的紫外截止边为252.9 nm，对应的光学带隙为4.74 eV。此外，阴极荧光(CL)光谱测试结果显示，Ni2+掺杂β-Ga2O3单晶在600~800 nm具有宽带近红外发光特性，有望拓宽β-Ga2O3单晶材料在宽带近红外方面的应用。
氧化镓 宽禁带半导体 光电性能 宽带近红外发光 导模法 Ni掺杂 Ga2O3 wide-bandgap semiconductor optical and electrical property broadband near-infrared luminescent EFG method Ni doping
1 浙江理工大学物理系,浙江省光场调控技术重点实验室,杭州 310018
2 浙江大学杭州国际科创中心, 浙江省宽禁带半导体重点实验室, 杭州 311200
3 浙江大学材料科学与工程学院, 硅材料国家重点实验室, 杭州 310027
宽禁带半导体材料碳化硅(SiC)凭借着其高击穿场强、高热导率、耐高温、高化学稳定性和抗辐射等优异性能, 在电力电子器件领域尤其是高温、高频、高功率等应用场景下有着巨大潜力。大尺寸、高质量、低成本的单晶SiC的制备是SiC相关半导体产品规模化应用的前提。顶部籽晶溶液生长(TSSG)法生长的单晶SiC有着晶体质量高、易扩径、易p型掺杂等优势, 有望成为制备单晶SiC的主流方法。但目前由于该方法涉及的生长机理复杂, 研究者对其内部机理的理解还不够充分, 难以对TSSG生长设备和方法进行有效的改进与优化。利用计算机对TSSG法生长单晶SiC生长过程进行数值模拟被认为是对其内部机理探究的有效途径之一。本文首先回顾了TSSG法生长单晶SiC和相关数值模拟分析的发展历程, 介绍了TSSG法生长单晶SiC和数值模拟的基本原理, 然后介绍了数值模拟方法计算分析TSSG法生长单晶SiC模型涉及的主要模块、影响单晶生长的主要因素(如马兰戈尼力、浮力、电磁力等), 以及对数值模型的优化方法。最后, 指出了数值模拟方法计算分析TSSG法生长单晶SiC在未来的重点研究方向。
宽禁带半导体 碳化硅 顶部籽晶溶液生长法 数值模拟 有限元 晶体生长 机器学习 wide bandgap semiconductor silicon carbide top-seeded solution growth numerical simulation finite element crystal growth machine learning
本文使用金属有机物化学气相沉积(MOCVD)法在不同切割角的c面蓝宝石衬底上外延氧化镓(β-Ga2O3)单晶薄膜, 揭示了衬底切割角对外延薄膜晶体质量的影响规律。研究表明, 当衬底切割角为6°时, β-Ga2O3外延膜具有较小的X射线摇摆曲线半峰全宽(1.10°)和最小的表面粗糙度(7.7 nm)。在此基础上, 采用光刻、显影、电子束蒸发及剥离工艺制备了金属-半导体-金属结构的日盲紫外光电探测器, 器件的光暗电流比为6.2×106, 248 nm处的峰值响应度为87.12 A/W, 比探测率为3.5×1015 Jones, 带外抑制比为2.36×104, 响应时间为226.2 μs。
超宽禁带半导体 氧化镓薄膜 金属有机物化学气相沉积 日盲紫外光电探测器 切割角 外延 ultra-wide bandgap semiconductor β-Ga2O3 film metal organic chemical vapor deposition solar-blind ultraviolet photodetector off-cut angle epitaxy
1 西安交通大学, 电子物理于器件教育部重点实验室, 西安 710049
2 西安交通大学电子与信息学部, 宽禁带半导体与量子器件研究所, 西安 710049
相较于传统的硅材料, 宽禁带半导体材料更适合制作高压、高频、高功率的半导体器件, 被认为是后摩尔时代材料创新的关键角色。单晶金刚石拥有大禁带宽度、高热导率、高迁移率等优异特性, 更是下一代大功率、高频电子器件的理想半导体材料。然而由于可获得单晶金刚石的尺寸较小, 且价格昂贵, 极大地阻碍了金刚石的发展。历经长时间的探索, 异质外延生长技术成为了获得高质量、大面积单晶金刚石的有效手段。本综述从金刚石异质外延的衬底选择、生长机理以及质量改善等方面对近些年来异质外延单晶金刚石的发展进行详细介绍。进一步地, 对基于异质外延单晶金刚石的场效应晶体管和二极管的研究进行了总结, 说明了异质外延单晶金刚石在电子器件领域的巨大潜力。最后总结了异质外延单晶金刚石仍需面对的挑战, 展望了其在未来的应用与发展前景。
单晶金刚石 异质外延生长 宽禁带半导体 半导体器件 场效应晶体管 二极管 single-crystal diamond heteroepitaxial growth wide-band gap semiconductor semiconductor device field-effect transistor diode
1 中国科学院半导体研究所, 半导体材料科学重点实验室, 北京 100083
2 中国科学院大学, 材料与光电研究中心, 北京 100049
二维超宽禁带半导体材料六方氮化硼(h-BN)具有绝缘性好、击穿场强高、热导率高, 以及良好的稳定性等特点, 且其原子级平整表面极少有悬挂键和电荷陷阱的存在, 使其有潜力成为二维电子器件的衬底和栅介质材料。实现h-BN应用的关键在于生长高质量的h-BN单晶薄膜, 本文详细介绍了在过渡金属衬底、绝缘介质衬底和半导体材料表面外延生长h-BN的方法及其研究进展。在具有催化活性的过渡金属衬底(铜、镍、铁、铂等)上可以外延得到高质量的二维h-BN, 而在绝缘介质或半导体材料衬底上直接生长h-BN单晶薄膜更具挑战性。蓝宝石以其良好的热稳定性和化学稳定性成为外延h-BN的首选衬底, 蓝宝石衬底上生长h-BN薄膜的方法主要有化学气相沉积、分子束外延、离子束溅射沉积、金属有机气相外延, 以及高温后退火等, 通过这些方法可以在蓝宝石衬底上外延得到h-BN单晶薄膜, 还可以集成到现有的一些III-V族化合物半导体的外延生长工艺之中, 为h-BN的大面积应用奠定基础。此外, 石墨烯、硅和锗等半导体材料衬底上生长h-BN单晶薄膜也是当前研究的一个热点, 这为基于h-BN的异质结制备及其应用提供了新的方向。
六方氮化硼 外延生长 薄膜 二维材料 宽禁带半导体 hexagonal boron nitride epitaxial growth thin film two-dimensional material wide band gap semiconductor
武汉科技大学省部共建耐火材料与冶金国家重点实验室，湖北 武汉 430081
基于能带理论设计了一种用于红外高反射的新型一维光子晶体。根据麦克斯韦方程的传输矩阵计算基础，得到了布洛赫波与入射光频率的色散关系，并由此构建了光子晶体能带结构。入射光波在介电常数周期变化结构中的布里渊区边界多次反射后会形成驻波，从而产生光子禁带。叠加3~5 μm和8~12 μm两种周期结构的光子晶体可以使光子禁带拓宽2.2×1013 Hz。在此基础上，选用折射率色散小的材料体系Si/ZnO设计并制备了13层一维光子晶体，该晶体在3~5 μm和8~12 μm红外波段的平均反射率在91.3%以上。实验结果与仿真结果吻合，验证了模型和理论的高可靠性。
薄膜 低层数光子晶体 传输矩阵 布里渊区边界 禁带宽度调控 红外高反射
