二维材料，包括石墨烯，黑磷和过渡金属硫族化合物，在光电子器件应用上具有很大潜力。二维材料和外部电路的接触，对于光电子器件的性能具有重要的影响。然而，由于金属和二维半导体接触带来的势垒和钉轧效应等因素，目前大多数器件的性能都被严重限制。

鉴于此，北京航空航天大学宫勇吉教授课题组，全面概述了二维半导体接触的肖特基势垒和表面费米能级钉轧效应等对器件性能的影响，并给出了传统金属-二维半导体接触，包括三维金属表面接触和三维金属边缘接触和二维金属材料-二维半导体接触，包括二维金属材料表面接触和二维金属边缘接触等研究进展。特别的，本文强调了用传统CVD生长二维金属材料作为接触的优势。

虽然目前接触工程取得了很大进展，但是诸多问题仍然悬而未决。一方面，费米能级钉轧效应的起源目前还处于争论中。本文给出了费米能级钉轧效应的基本物理含义和可能的作用机制，对于实验上避免或改善费米能级钉轧效应具有指导意义。另一方面，虽然CVD生长二维金属材料作为接触的优势，但是在实际应用之前，需要发展大面积，通用性的合成策略。相信本文对于改善并提高器件接触性能和发展大面积普适性CVD策略合成具有重要意义。

图（a）和（b）传统三维金属-二维半导体表面接触和边缘接触。（c）和（d）二维金属材料-二维半导体表面接触和边缘接触。

Contact engineering for two-dimensional semiconductors

Peng Zhang, Yiwei Zhang, Yi Wei, Huaning Jiang, Xingguo Wang, Yongji Gong

J. Semicond. 2020, 41(7): 071901

doi: 10.1088/1674-4926/41/7/071901

Full Text

湖南大学刘松教授课题组首次使用化学气相沉积法制备了二维非层状绝缘体Na₂Ta₄O₁₁，为目前报道的最小厚度，并且其横向尺寸可达100 μm以上。该材料被认为是潜在的光催化剂。目前关于Na₂Ta₄O₁₁纳米材料合成的工作主要集中于三维尺度，在二维薄层方面的合成工作非常缺乏。在二维尺度上，电子会被限制在二维的纳米尺度运动，因此二维Na₂Ta₄O₁₁薄膜的成功制备将赋予其新的性能和应用。该工作为合成其它非层状2D金属氧化物材料提供了借鉴方法。

Growth of large-scale two-dimensional insulator Na₂Ta₄O₁₁ through chemical vapor deposition

Yuanyuan Jin, Huimin Li, Song Liu

J. Semicond.  2020, 41(7): 072901

doi: 10.1088/1674-4926/41/7/072901

Full Text

自石墨烯被首次制备以来，二维半导体材料，包括过渡金属硫化物，黑磷以及二维铁电/铁磁半导体材料等，由于其在新型微纳器件中的巨大应用潜力而得到研究人员大量的关注与研究，并由此引发出一些新奇的物理现象在该材料体系中被发现，如谷霍尔效应、电场调控的金属绝缘体转变、魔角石墨烯中的超导电性等。近些年，一种具有直接带隙的层状半导体材料碲化镓（GaTe）由于其优异的光电性能而逐渐进入人们的视野，其在光电器件领域表现出巨大的应用前景。然而，目前针对GaTe的输运性质的研究较为缺乏，特别是其在低温下的输运特性还有待进一步研究。

中国科学院金属研究所王汉文助理研究员等利用干法转移技术以及微纳加工技术制备出GaTe场效应器件，并详细研究了GaTe在低温下的电学输运行为。测试结果表明，GaTe具有显著的载流子调制能力，在二氧化硅的栅介质调控下，薄层GaTe器件实现了金属绝缘体转变。此外，在该器件中还观察到了双极型场效应行为。这项工作显示了GaTe在未来功能器件中的巨大潜力。

图1. GaTe和典型的BN / GaTe / BN器件的特性。（a）GaTe层状晶格示意图，层间间距约为0.8 nm。（b）设备示意图。（c）设备的光学显微照片，比例尺为10 µm。（d）设备的AFM形貌图像，其沿（d）中绿色虚线绘制的高度轮廓如（e）所示。

Metal–insulator transition in few-layered GaTe transistors

Xiuxin Xia, Xiaoxi Li, Hanwen Wang

J. Semicond.  2020, 41(7): 072902

doi: 10.1088/1674-4926/41/7/072902

Full Text

作为典型的拓扑狄拉克半金属，Cd₃As₂是研究诸多新奇物理现象的理想材料平台。例如，人们在Cd₃As₂ 及其相关器件结构中成功观察到三维量子霍尔效应、手性反常引起的负磁阻、阿哈罗诺夫-玻姆和法诺干涉等物理效应。此外，Cd₃As₂ 还展现出较为优异的超快动力学、热电和中红外探测性能，在功能器件方面具有潜在的应用价值。更有趣的是，通过破缺Cd₃As₂ 中的空间或时间反演对称性，将有望观测到拓扑量子相变等重要物理现象。

打破对称性的有效方法包括引入应变（如利用晶格失配或压电衬底）和磁性掺杂等。已有研究表明，通过掺入3d过渡族金属如Cr和Mn元素可以降低Cd₃As₂ 的晶格对称性并打开能隙，获得有质量的狄拉克费米子。实际上，在拓扑材料中掺入磁性元素是观测宏观量子现象的重要手段，量子反常霍尔效应就是其最佳例证。因此，系统研究磁性元素掺杂对Cd₃As₂ 材料物理性质的影响颇具紧迫性和重要性。

近来，中国科学半导体研究所赵建华研究员课题组的王海龙副研究员等结合晶格应变和Mn元素掺杂研究了对称性破缺对Cd₃As₂薄膜输运性质的影响。他们利用低温分子束外延技术直接在GaAs(111)B衬底上生长出了Mn掺杂的单晶Cd₃As₂薄膜，测试表明Mn组分的增大会减小Cd₃As₂薄膜的晶格参数和电子迁移率，同时增大样品的有效能隙。利用栅压调控样品的载流子浓度，能够观测到舒比尼科夫-德哈斯量子振荡和量子霍尔效应发生相应改变。他们的结果为进一步研究磁性元素掺杂对Cd₃As₂ 物理性质的影响提供了有意义的参考。

图. (a) 结合晶格失配和Mn元素掺杂方法打破空间反演对称性；(b) 低温下施加磁场，在Cd3As2 薄膜中形成朗道能级，通过栅压调控载流子浓度能够改变朗道能级的电子填充情况；(c) 不同Mn含量样品霍尔电阻随磁场的变化曲线；(d) 在不同栅压下，Mn含量为0.5%的薄膜样品霍尔电阻随磁场的变化曲线。

二维半导体层状材料，如过渡族金属硫族化合物（TMDCs），由于其丰富的能带结构有望应用在下一代电子和光电器件中，其中MoS₂被认为是最有希望的一种材料。MoS₂的带隙和层数有关，双层或者三层MoS₂相对于单层而言，能够实现更高的迁移率和更大的驱动电流。但是多层MoS₂晶体管由于沟道栅控能力减低，它的亚阈值摆幅（SS）和电流开关比（I_ON/I_OFF）会降低。为了克服这个问题，类似于Fin-FET技术的双栅结构对二维材料沟道有更强的栅控能力。虽然目前已有很多二维材料双栅晶体管的报导，但是关于双栅结构中电子的传输和分布还没有相关的报导。

Charge transport and quantum confinement in MoS₂ dual-gated transistors

Fuyou Liao, Hongjuan Wang, Xiaojiao Guo, Zhongxun Guo, Ling Tong, Antoine Riaud, Yaochen Sheng, Lin Chen, Qingqing Sun, Peng Zhou, David Wei Zhang, Yang Chai, Xiangwei Jiang, Yan Liu, Wenzhong Bao

J. Semicond.  2020, 41(7): 072904

doi: 10.1088/1674-4926/41/7/072904

Full Text

在智能时代，为了实现器件低功耗、多功能等特点，基于新原理的器件正朝着新型应用领域发展。在超小尺度的纳米级器件中，将杂质原子作为功能性单元的应用引起广泛的关注。人们通过先进的半导体制造技术在杂质原子的观测、定位和控制层面上开展了许多重要的研究。随着集成电路特征尺寸缩小到亚10纳米尺度，离散杂质原子对器件电学性能的影响越发显著。

中国科学院半导体研究所韩伟华研究员课题组正致力于硅沟道的局域纳米空间中电离杂质原子作为量子点的载流子输运特性研究。无结硅纳米线晶体管具有尺寸可调节的体输运沟道和低的横向空间电场，相比于反型沟道器件在低温条件下具有更为显著的量子电导振荡效应。近年来，该组重点研究了无结硅纳米线晶体管沟道中通过离散及耦合杂质原子系统及其一维子带的电子输运行为特性。最近，他们通过分析杂质能级上电子热激活能和库仑能之间的竞争关系，发现了栅电压在沟道开启阶段能够显著调节电子跳跃通过杂质原子的输运行为转变温度，揭示了栅电场变化对沟道电子波函数的局域化长度和态密度的影响。图1提供了该种器件局域量子态电子跳跃输运行为的变温电导特性Arrhenius曲线。随着杂质原子在超小尺度器件中的地位越发显著，研究与之相关的载流子输运特性将为新一代原子级尺度硅基器件的设计提供思路。

在传统的冯诺依曼体系中，分离的存储单元和处理单元会导致高能耗和低传输速度。而忆阻器的电阻能够通过持续的脉冲电压或电流输入来调节，可以模拟人脑中的突触行为，同时实现存储与处理信息。因此，基于忆阻器的突触器件能够打破冯诺依曼瓶颈，在人工神经网络中有巨大的应用前景。

但是在图像识别和人工视觉系统的应用中，这些突触器件并不能直接响应光信息，而需要独立的传感器将光信号转化为电信号后，再对电信号进行处理。这导致器件的效率降低，并且产生多余的能耗。因此，设计一种能同时传感、存储和处理光信息的单元将具有重要的意义。

电子科技大学彭波教授课题组研究展示了一种基于二维异质结构的光控阻变存储器（optoelectronic resistive random access memory，ORRAM）。该器件不仅能实现同时对光信息的探测与存储，而且表现出了光可调控的生物突触行为。通常，光照时间不会影响传统的光电探测器的电导，而光控阻变存储器则可以表现出光控可调并且随时间变化的塑性（图1）。在0.5V的偏压下，器件能通过脉冲光进行写入，以其电阻值作为读出（图2）。进一步的研究表明，器件突触行为的强度会随着外界环境刺激（偏压、光强）而发生变化。该研究展示了二维异质结构在低功耗人工视觉与神经网络中巨大的应用前景。

        图2.（左）常规商用Si光电探测器（蓝色）和本文ORRAM突触设备（红色）的输出电流对照明时间的依赖性。（右）ORRAM器件的非易失性光存储特性。637 nm、0.2 mW / cm²的激光脉冲用于写入；施加0.5 V偏压进行读取。脉冲宽度为3 s。

基于低维材料的红外光探测器件在通讯、安防以及生物医学等领域有广泛的应用。近些年来，光与物质作用中等离激元的局域光场增强效应吸引了研究者的浓厚兴趣。石墨烯能在中红外及太赫兹波段支持低损耗等离激元，对电磁场进行高度局域，可以弥补贵金属等离激元在长波长难以应用的短板，而且可通过构建石墨烯纳米微腔结构来进一步提高场局域特性。采用等离激元材料与二维材料异质复合后的光电器件作为红外感应单元，不但具有二维材料的载流子迁移率高、光吸收强和良好柔韧性等性能，而且有潜力克服目前商用红外光探测器工艺复杂和制冷能耗高等瓶颈。

近期，复旦大学魏大程教授课题组和澳大利亚蒙纳士大学鲍桥梁教授课题组开展合作，通过等离子体增强化学气相沉积的方法，生长出尺寸及密度高度可控的单层石墨烯单晶纳米片，这些纳米片形成天然的等离激元纳米谐振腔，通过谐振腔中的等离激元增强石墨烯光探测器的吸收，并进一步构筑了等离激元增强型中红外室温光探测器。相较于之前的研究，这种天然的石墨烯微腔避免了微纳加工过程对石墨烯质量及等离激元性能的影响。其次，不同于常见的光栅效应和热辐射效应，该器件基于谐振腔中等离激元高效的近场局域特性，从而增强石墨烯与红外光的作用，大幅提升石墨烯吸收红外光子的能力，最终实现高效的红外探测性能。相关成果发表在Journal of Semiconductors上，为新型极化激元增强红外光电器件提供了新的思路。

图1.（a）石墨烯纳米谐振腔（graphene nanoresonators, GNRs）/石墨烯异质结器件结构示意图。（b）基于不同密度石墨烯纳米谐振腔的异质结器件与纯石墨烯器件的光电流曲线对比。右下方插图：不同石墨烯纳米谐振腔的表面形貌图像。标尺：300 nm。

Graphene plasmonic nanoresonators/graphene heterostructures for efficient room-temperature infrared photodetection

Tian Sun, Weiliang Ma, Donghua Liu, Xiaozhi Bao, Babar Shabbir, Jian Yuan, Shaojuan Li, Dacheng Wei, Qiaoliang Bao

J. Semicond.  2020, 41(7): 072907

doi: 10.1088/1674-4926/41/7/072907

Full Text