“终极功率半导体”获突破性进展 金刚石有望成为终极半导体材料

“终极功率半导体”获突破性进展金刚石有望成为终极半导体材料与作为新一代功率半导体的碳化硅(SiC)产品和氮化镓(GaN)产品相比，金刚石半导体耐高电压等性能更出色，电力损耗被认为可减少到硅制产品的五万分之一，同时耐热性和抗辐射性也很强，因而被称为终极功率半导体”。金刚石带隙宽度高达5.5eV，远超氮化镓、碳化硅等材料，载流子迁移率也是硅材料的3倍，在室温下本征载流子浓度极低，且具备优异的耐高温属性。当前，金刚石在半导体领域的应用越来越广泛，全球各国都在加紧金刚石在半导体领域的研制工作，其中日本已成功研发超高纯2英寸金刚石晶圆量产方法，其存储能力相当于10亿张蓝光光盘（约为2500万TB）。全球天然金刚石年产量约为1.5亿克拉，而人造金刚石产量则超过200亿克拉，其中95%产量来自于中国大陆。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1340787.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1340787.htm

“超原子”材料击败硅 成为有史以来能量传输速度最快的半导体材料

“超原子”材料击败硅成为有史以来能量传输速度最快的半导体材料现在，哥伦比亚大学的科学家们发现了一种新型半导体材料，其性能似乎优于其他所有材料。这种材料被称为Re6Se8Cl2，由铼、硒和氯混合组成，这些原子聚集在一起，表现得像一个大原子--一种"超级原子"。这就是它的速度来源。在任何材料中，原子结构都会产生微小的振动，这些振动以量子粒子（称为声子）的形式传播，可以散射电子或激子等载能粒子。这种能量很快就会以热量的形式散失，而管理这种能量是设计电子芯片和系统的一个长期障碍。但Re6Se8Cl2有一个巧妙的特点。它的激子在受到声子撞击时不会散射，而是会与声子结合，从而产生另一种形式的准粒子--声激子-极子。这些激子仍然可以携带能量，但传播速度比普通激子慢得多--与直觉相反，这最终导致了比硅更快的速度。研究小组将其比作龟兔赛跑的老故事。电子在硅中的传播速度非常快，但它们往往会四处弹跳，这并不是最有效的传播路径。另一方面，Re6Se8Cl2中的极子速度较慢，而且不受其他声子的影响，因此它们移动得更远，时间也更稳定。实际上，研究小组发现Re6Se8Cl2中的极子移动速度是硅中电子移动速度的两倍。考虑到它们可以由光而不是电来控制，研究小组估计，使用这种材料制造的理论电子设备最终会比现有设备快六个数量级。这项研究的作者米兰-德洛尔（MilanDelor）说："就能量传输而言，Re6Se8Cl2是我们所知的最好的半导体，至少到目前为止是这样。"遗憾的是，不要指望你的电脑很快就能用上这种材料制造的超快处理器--研究小组表示，这种特殊的混合物不太可能进入市场。对于消费品来说，铼实在是太稀有、太昂贵了。但在证明了这一概念后，研究人员相信，类似的、希望更便宜的材料可能会表现出同样的行为。德洛尔说："我们现在可以开始预测还有哪些材料可能具有我们以前没有考虑过的这种特性。有一大批超原子和其他二维半导体材料具有有利于声学极子形成的特性。"这项研究发表在《科学》杂志上。...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1393651.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1393651.htm

龟兔赛跑的量子版本：超原子半导体克服缺陷 全面超越硅基材料

龟兔赛跑的量子版本：超原子半导体克服缺陷全面超越硅基材料半导体，尤其是硅，是各种电子设备（如电脑、手机和您正在使用的设备）运行的基础。尽管用途广泛，但半导体也有其内在的限制。这些材料的原子结构会发生振动，从而产生称为声子的量子粒子。这些声子导致电子设备中负责传输能量和信息的粒子（电子或称为激子的电子-空穴对）发生散射。这种散射发生在极小的距离（纳米）和极短的时间跨度（飞秒）内，导致能量以热量形式耗散，并对信息传输速度造成限制。人们正在寻找更好的选择。哥伦比亚大学的化学家团队在《科学》杂志上撰文，他们的博士生杰克-图里亚格（JackTulyag）与化学教授米兰-德洛尔（MilanDelor）合作，描述了迄今为止速度最快、效率最高的半导体：一种名为Re6Se8Cl2的超原子材料。Re6Se8Cl2中的激子在与声子接触时不会发生散射，而是会与声子结合，产生新的准粒子，称为声激子-极子。虽然极子存在于许多材料中，但Re6Se8Cl2中的极子具有一种特殊的性质：它们能够进行弹道流动或无散射流动。这种弹道行为可能意味着有一天会出现速度更快、效率更高的设备。在研究小组进行的实验中，Re6Se8Cl2中的声激子-极子移动速度很快，是硅中电子移动速度的两倍，在不到纳秒的时间内就穿过了样品的几个微米。鉴于极子可以持续约11纳秒，研究小组认为激子-极子一次可以覆盖超过25微米的范围。由于这些准粒子是由光而不是电流和门控控制的，因此理论设备的处理速度有可能达到飞秒级--比目前千兆赫电子设备的纳秒级快六个数量级。所有这些都是在室温下实现的。德洛尔说："就能量传输而言，Re6Se8Cl2是我们所知的最好的半导体，至少到目前为止是这样。"龟兔赛跑的量子版本Re6Se8Cl2是一种超原子半导体，由合作者泽维尔-罗伊（XavierRoy）在实验室中创造。超原子是束缚在一起的原子团，它们的行为就像一个大原子，但性质却与构建它们的元素不同。合成超原子是罗伊实验室的专长，也是哥伦比亚大学由国家科学基金会资助的材料研究科学与工程中心（MaterialResearchScienceandEngineeringCenteronPrecisionAssembledQuantumMaterials）的工作重点。德洛尔对通过超原子和哥伦比亚大学开发的其他独特材料控制和操纵能量传输很感兴趣。为此，该团队建立了超分辨率成像工具，可以捕捉以超小、超快尺度运动的粒子。当Tulyag第一次把Re6Se8Cl2带进实验室时，并不是为了寻找一种新的改良半导体--而是为了用一种原则上不应该传导太多东西的材料来测试实验室显微镜的分辨率。德洛尔说："这与我们的预期正好相反。"我们看到的不是预期的缓慢运动，而是我们所见过的最快速度。"硅之所以是一种理想的半导体，是因为电子可以在其中快速移动，但就像俗话说的兔子一样，它们蹦跶得太厉害，最终实际上并不能跑得非常远、非常快。相对而言，Re6Se8Cl2中的激子速度非常慢，但正是因为它们速度如此之慢，才能够与同样缓慢移动的声子相遇并配对。由此产生的准粒子很"重"，就像乌龟一样，缓慢而稳定地前进。由于沿途没有其他声子的阻碍，Re6Se8Cl2中的声激子-极子最终比硅中的电子移动得更快。资料来源：哥伦比亚大学杰克-图里亚格（JackTulyag）接下来的两年，Tulyag和他在德洛尔研究小组的同事们一直在研究Re6Se8Cl2为什么会表现出如此明显的行为，包括开发一种具有极高空间和时间分辨率的先进显微镜，可以直接成像极子在材料中形成和移动的过程。TimothyBerkelbach研究小组的博士生、理论化学家PetraShih也建立了一个量子力学模型，为观测结果提供了解释。德洛尔解释说，新的准粒子速度很快，但与直觉相反的是，它们是通过调整自己的节奏来达到这种速度的--这有点像龟兔赛跑的故事。硅之所以是一种理想的半导体，是因为电子可以在硅中快速移动，但就像传说中的兔子一样，它们蹦跳得太快，最终实际上并没有跑得很远很远。相对而言，Re6Se8Cl2中的激子速度非常慢，但正是因为它们速度如此之慢，才能够与同样缓慢移动的声子相遇并配对。由此产生的准粒子很"重"，就像乌龟一样，缓慢而稳定地前进。由于沿途没有其他声子的阻碍，Re6Se8Cl2中的声激子-极子最终比硅中的电子移动得更快。半导体探索仍在继续与哥伦比亚大学正在探索的许多新兴量子材料一样，Re6Se8Cl2可以被剥离成原子薄片，这一特性意味着它们有可能与其他类似材料结合，以寻求更多独特的特性。不过，Re6Se8Cl2不太可能成为商业产品--分子中的第一种元素铼是地球上最稀有的元素之一，因此价格极其昂贵。不过，有了伯克尔巴赫小组的新理论，再加上图里亚格和德洛尔小组首先开发的直接跟踪极子形成和运动的先进成像技术，研究小组计划了解是否还有其他超原子竞争者能够打破Re6Se8Cl2的速度纪录。"这是唯一有人看到过持续室温弹道激子输运的材料。但是，我们现在可以开始预测还有哪些材料可能具有这种行为，而我们以前从未考虑过这些材料，"德洛尔说。"有一整套超原子和其他二维半导体材料具有有利于声学极子形成的特性。"参考文献：JakhangirkhodjaA.Tulyagankhodjaev、PetraShih、JessicaYu、JakeC.Russell、DanielG.Chica、MichelleE.Reynoso、HaowenSu、AthenaC.Stenor、XavierRoy、TimothyC.Berkelbach和MilanDelor的"范德华超原子半导体中的室温波状激子输运"，2023年10月26日，《科学》。DOI:10.1126/science.adf2698编译来源：ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1403195.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1403195.htm

【首个石墨烯制成的功能半导体问世，天津大学团队承担主要研究与攻关】

【首个石墨烯制成的功能半导体问世，天津大学团队承担主要研究与攻关】据一财，有媒体报道称有研究团队创造了世界上第一个由石墨烯制成的功能半导体，相关论文发表在权威期刊Nature杂志上。上述报道所述论文名为“Ultrahigh-mobilitysemiconductingepitaxialgrapheneonsiliconcarbide”（《碳化硅上的超高迁移率半导体外延石墨烯》），论文的共同第一作者赵健、纪佩璇、李雅奇、李睿四人以及其余多位署名作者主要来自中国天津大学研究团队，同时也有#美国佐治亚理工学院的研究人员。

中国商务部决定对镓、锗相关物项实施出口管制 全球半导体产业将受影响

中国商务部决定对镓、锗相关物项实施出口管制全球半导体产业将受影响众所周知，以上相关镓类物项和锗类物项大都属于重要的化合物半导体材料，而金属镓、金属锗、区熔锗锭、锗外延生长衬底则属于制备镓类或锗类相关化合物半导体所须的材料。作为全球金属镓、金属锗储量及产量最大的国家之一，中国此次对镓、锗相关物项实施出口管制，无疑将会对全球的半导体产业造成重大影响。具体对镓、锗相关物项资料，由芯智讯整理如下：金属镓金属镓是一种稀有的蓝色或银白色的金属，其产品熔点很低，但沸点很高，是一种性能优良的电子原材料，下游应用领域广泛，主要应用于制作光学玻璃、真空管、半导体的重要原料。根据美国地质调查局（USGS）公布的数据，目前全球金属镓的储量约为27.93万吨，而中国的储量最多，达到19万吨，占全球储量的68%左右；相比之下，美国的储量还不到中国的1/40，只有0.45万吨。从产量来看，中国产量占比全球镓产量最高。德国和哈萨克斯坦分别于2016年和2013年停止了镓生产。（2021年德国宣布将在年底前重启初级镓生产），匈牙利和乌克兰分别于2015年和2019年停止镓生产，中国镓占比全球镓产量持续提升，截止2021年，占比全球镓产量已超90%。氮化镓氮化镓是近年来比较热门的第三代化合物半导体材料。相对于传统的硅(Si)和砷化镓(GaAs)半导体材料，氮化镓具有许多优点，例如高电子流动率、高饱和漂移速度、高电子密度和高热导率。这些特性使氮化家在高功率电子器件（比如快充充电器）、高速光电子器件、高亮度发光二极管(LED)和高效能太阳能电池等领域有广泛应用。此外，氮化家还被用于制造紫外线激光器、无线电通信设备、医疗器械等。氮化镓氧化镓则是一种“超宽禁带半导体”材料，也属于“第四代半导体”，与第三代半导体碳化硅、氮化镓相比，氧化镓的禁带宽度达到了4.9eV，高于碳化硅的3.2eV和氮化镓的3.39eV，更宽的禁带宽度意味着电子需要更多的能量从价带跃迁到导带，因此氧化镓具有耐高压、耐高温、大功率、抗辐照等特性。并且，在同等规格下，宽禁带材料可以制造diesize更小、功率密度更高的器件，节省配套散热和晶圆面积，进一步降低成本。值得注意但是，在2022年8月，美国商务部产业安全局（BIS）对第四代半导体材料氧化镓和金刚石实施出口管制，认为氧化镓的耐高压特性在军事领域的应用对美国国家安全至关重要。此后，氧化镓在全球科研与产业界引起了更广泛的重视。磷化镓磷化镓是由元素镓与元素磷合成的Ⅲ—Ⅴ族化合物半导体，常温下其纯度较高的为橙红色透明固体。磷化镓是制作半导体可见发光器件的重要材料，主要用作制造整流器，晶体管、光导管、激光二极管和致冷元件等。磷化镓和砷化镓是具有电致发光性能的半导体，是继锗和硅之后的所谓第三代半导体。与砷化镓不同，磷化镓是一种间接带隙材料。当引入能形成等电子陷阱的杂质后，其发光效率会大大提高，并且能根据引入杂质的不同而发出不同颜色的光来。例如在磷化镓中掺入氮则发绿Chemicalbook光，掺入锌-氧对则发红光，因此磷化镓是制作可见光发光二极管和数码管等光电显示器件的重要材料，此外还可用来制作光电倍增管、光电存储器、高温开关等器件。砷化镓砷化镓是当前主流的第二代化合物半导体材料之一。其具有高频率、高电子迁移率、高输出功率、高线性以及低噪声等特点，在光电和射频领域有着非常广泛的应用。比如，砷化镓可以用来制作LED(发光二极管)，主要是黄光、红光和红外光（氮化镓禁带更宽，主要用来发蓝光、绿光和紫外光），具有效率高、器件结构精巧简单、机械强度大、使用寿命长等特点。如果砷化镓作为发光材料，加上泵浦源和谐振腔，即可选频制成激光器。典型应用就是VCSEL（垂直腔表面发射激光器），广泛应用在短距离数据中心光纤通信，结构光/TOF人脸识别等。另外，砷化镓的电子迁移率是硅的五倍，HBT的Ft高达45GHz，0.25umEmodepHEMT的Ft更是高达70GHz，因此砷化镓非常适合设计Sub-7GHz的射频器件。蜂窝和WLANPA也常用砷化镓HBT设计；开关、LNA等则采用砷化镓pHEMT工艺。铟镓砷铟镓砷是一种III-V族半导体，具有晶格匹配性好、带隙可调节、大尺寸产品均匀性好等优点，是第四代半导体材料，也是新一代红外发光材料，在光电芯片、红外探测器、传感器等领域拥有巨大应用价值。在光电芯片领域，为制造体积更小、功能集成度更高的晶体管，传统硅材料已无法满足需求，砷化铟镓可达到此要求。在红外探测器领域，砷化铟镓可用作短波红外光电材料，制造短波红外探测器，也可以与其他III-V族半导体相配合制备超晶格材料，例如以磷化铟为衬底，外延生长砷化铟镓，制备得到InP/InGaAs超晶格，此材料稳定性高、均匀度高，以其为敏感材料制造而成的红外探测器，具有高灵敏度、高可靠性、低功耗、低成本等优点，可以广泛应用在智能驾驶、安防监控、仪器仪表等领域。在传感器领域，由于砷化铟镓灵敏度高，可制造InGaAs红外扫描相机，是OCT（光学相干断层扫描）的关键组成部分，可提高人体组织穿透性，并实现高速成像。OCT是新型医学影像技术，在生物组织活体检测与成像方面效果显著，在临床上可以广泛应用在眼科、牙科、皮肤科、癌症早期诊断等方面，是医疗领域重要疾病诊断技术之一，此外也可以应用于工业测量领域。硒化镓硒化镓是一种重要的二元半导体，它具有各向异性、较宽的带隙、新奇的光学和电学性质等特性。这使得硒化镓在太阳能电池、光探测器及集成光电子器件等领域有很好的应用前景。另外，由于硒化家晶体具有优异的抗干扰性能和低损耗性能，它可以用于高精度技术应用，如高精度电子仪器、电气控制系统和光学系统。此外，硒化家晶体还具有优异的耐腐蚀性和低氧化性，可以用于各种酸性和碱性腐蚀性环境中的应用，是一种优良的精密机械制造材料。锑化镓锑化镓属于III-V族化合物窄带隙半导体，外观为灰白色晶体状，为立方晶系、闪锌矿结构。锑化镓是第四代半导体材料中窄带隙半导体的代表性产品之一，具有电子迁移率高、功耗低的特点，其禁带宽度可以在较宽的范围内进行调节，在中长波红外波段探测性能优异。锑化镓常用作衬底材料，可以广泛应用在红外探测器、激光器、发光二极管、光通信、太阳能电池等行业中。在光通信中，波长越长的光在传输过程中损耗越低，工作波长2-4μm的非硅材料光传输损耗更低，锑化镓可以工作在此波段范围内，并且能够与其他III-V族材料晶格常数相匹配，制得的GaSb/GaInAsSb等产品光谱范围符合光通信的低损耗要求。据了解，发展锑化物半导体材料是整个光通讯领域中核心技术发展的战略方向之一。锑化镓半导体主要应用于光纤通讯的发射基站，其传输信号的频率可以达到300赫兹以上。锑化镓(锑化物半导体材料)未来在6G等应用上，可能是不可替代的传输载体。在红外探测器领域，锑化镓凭借光谱覆盖范围宽、频带宽度可调节的优势，以其为衬底制备的二类超晶格材料例如InAs/GaSb探测性能优异、成像质量高，可制造高性能红外焦平面成像阵列，特别是在中红外探测器制造中具有不可替代性，而红外焦平面成像阵列具有多色、大面阵、功能集成化的特点，是第三代红外探测器。除此之外，锑化镓在太阳能电池中也有巨大应用价值。2017年7月，美国乔治华盛顿大学与其他科研机构、高校...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1368771.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1368771.htm

新成像技术揭示有机半导体中的激子动力学 带来改进能量转换材料的潜力

新成像技术揭示有机半导体中的激子动力学带来改进能量转换材料的潜力图示：光激发有机半导体"巴克明斯特富勒烯"两个分子中的电子。新形成的激子（如亮点所示）首先分布在两个分子上，然后才落在一个分子上（如图中右侧所示）。资料来源：AndreasWindischbacher新的成像技术揭示了有机半导体中的激子动力学，有助于深入了解其量子特性和改进能量转换材料的潜力。WiebkeBennecke。图片来源：FotostudioRomanBrodel/Braunschweig哥廷根大学、格拉茨大学、凯泽斯劳滕-朗道大学和格勒诺布尔-阿尔卑斯大学的研究人员现在首次非常快速、非常精确地拍摄到了这些激子的图像--事实上，精确度达到了四十亿分之一秒（0.000,000,000,000,001s）和十亿分之一米（0.000,000,001m）。这种认识对于开发更高效的有机半导体材料至关重要。相关成果最近发表在科学杂志《自然通讯》上。了解激子动力学当光线照射到材料上时，一些电子会吸收能量，从而进入激发态。在有机半导体（如有机发光二极管中使用的半导体）中，这些受激电子和剩余"空穴"之间的相互作用非常强烈，电子和空穴不再能被描述为单独的粒子。相反，带负电荷的电子和带正电荷的空穴结合成对，称为激子。长期以来，从理论和实验角度理解有机半导体中这些激子的量子力学特性一直被认为是一项重大挑战。MatthijsJansen博士。图片来源：ChristinaMöller新方法揭示了这一难题。该研究的第一作者、哥廷根大学物理学家WiebkeBennecke解释说："利用我们的光发射电子显微镜，我们可以发现激子内部的吸引力极大地改变了它们的能量和速度分布。我们以极高的时间和空间分辨率测量了这些变化，并将它们与量子力学的理论预测进行了比较"。研究人员将这种新技术称为光发射激子层析成像技术。其背后的理论是由格拉茨大学的PeterPuschnig教授领导的团队开发的。半导体研究进展这项新技术使科学家们首次能够测量和观察激子的量子力学波函数。简单地说，波函数描述了激子的状态，并决定了其存在的概率。哥廷根大学的MatthijsJansen博士解释了这一发现的意义："我们研究的有机半导体是由60个碳原子组成的球形排列的富勒烯。问题是激子是否总是位于单个分子上，还是可以同时分布在多个分子上。这一特性会对太阳能电池中半导体的效率产生重大影响。"斯特凡-马蒂亚斯教授。图片来源：StefanMathias光发射激子层析技术提供了答案：激子在光的作用下产生后，立即分布在两个或更多的分子上。然而，在几个飞秒内，也就是在一秒钟的极小部分内，激子就会缩回到单个分子。未来，研究人员希望利用这种新方法记录激子的行为。哥廷根大学的斯特凡-马蒂亚斯（StefanMathias）教授认为，这很有潜力："例如，我们希望了解分子的相对运动如何影响材料中激子的动力学。这些研究将有助于我们了解有机半导体的能量转换过程。我们希望这些知识将有助于开发更高效的太阳能电池材料"。编译自:ScitechDaily...PC版：https://www.cnbeta.com.tw/articles/soft/1424837.htm手机版：https://m.cnbeta.com.tw/view/1424837.htm