半导体最新学术报告（8大热点）

1.密度泛函理论研究Gen+1和AsGen（n=1-20）团簇的生长行为和电子性质

阿尔及利亚乌尔加拉大学M. Benaida和沙特阿拉伯King Abdullah科技大学M. Harb博士以密度泛函理论（DFT）为基础，针对As掺杂原子对不同Gen+1异构体（其中n=1-20）的结构、能量以及电子性质产生的影响进行了系统的计算研究。通过考虑每个Gen+1团簇尺寸的大量结构，确定了其中具有最低能量的异构体种类。最低能量的异构体为n≥5的三维结构。此外，根据计算的束缚能、解离能和二阶能量差，可以得出异构体的相对稳定性与原子尺寸之间的关系。用一个As原子掺杂进入Gen+1团簇中并不能提高其稳定性。根据计算出的HOMO-LUMO能隙、垂直电离势、垂直电子亲和势和化学强度等参数，得出了其电学性质与原子尺寸的关系，结果表明将一个As原子加入到Gen团簇中对其电学性质会产生显著影响。

 图2 AsGen（n=1-20）团簇的最有利结构及其异构体

Growth behavior and electronic properties of Gen+1 and AsGen(n = 1–20) clusters: a DFT study

M. Benaida, K. E. Aiadi, S. Mahtout, S. Djaadi, W. Rammal and M. Harb

J. Semicond. 2019, 40(3), 032101

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032101

2. 缺陷态对平面卤化锡钙钛矿太阳电池性能的影响

甲基铵混合卤化铅（MAPbXs）以其优异的光电性能而闻名，近年来在光伏领域得到了广泛的关注。在短短的8年时间内，MAPbX钙钛矿太阳电池（PSC）的光电转换效率从3.8%显著提高到22.1%。尽管MAPbXs具有许多优异的性能，但有毒元素铅的使用在大规模实施中可能存在问题。因此，用环保元素代替铅，可以大大提高在实际应用和生产中的潜力。

浙江师范大学固态光电器件省级重点实验室黄仕华教授对卤化锡MASnI3（MA = CH3NH3）钙钛矿太阳能电池进行了深入的研究，发现其比铅基的带隙（约1.6 eV）更窄，CH3NH3SnI3带隙为1.3 eV，这使其能够覆盖更宽的可见光谱范围，并为MASnI3 PSC提供了更大的短路电流（JSC）。为了进一步提高MASnI3 PSC的转化效率，需要深入了解其内部电子动力学和相应的界面工程，明确转化效率的极限物理机制。众所周知，由于缺陷状态的强界面复合，良好的界面质量是高效率PSC的关键因素。

数值模拟对于理解、设计和优化高效太阳能电池变得越来越重要。模拟方法可以直观地检查太阳能电池中的每个参数，从而确定最佳的操作条件。到目前为止，还没有关于MASnI3 PSC数值模拟的报道。SCAPS-1D程序是一个基于泊松方程和连续性方程的通用太阳能电池模拟程序，由于其结构与薄膜太阳能电池和钙钛矿中的万尼尔激子相似，因此被用于模拟平面结构的钙钛矿型太阳能电池。

本文利用SCAPS-1D（3.3.02版）进行了一维器件模拟，研究了吸收层缺陷状态以及吸收体/电子输运层（ETL）和吸收体/空穴输运层（HTL）的界面对MASnI3 PSC效率的影响。由于钙钛矿吸收体的吸收系数很高，在阳光入射侧的吸收界面密度是影响吸收效率的决定性因素。界面电荷的极性对带弯曲和复合速率有不同的影响。考虑到缺陷状态的影响，通过对各种参数的优化，模拟电池效率达到29%以上，突出了钙钛矿在实现高效率方面的巨大潜力。在此基础上进行仿真，有助于进一步了解器件的工作原理和提高效率。

图2 中性界面缺陷的PSC效率与界面缺陷密度的关系曲线

Influence of defect states on the performances of planar tin halide perovskite solar cells

Shihua Huang, Zhe Rui, Dan Chi，Daxin Bao

J. Semicond.2019, 40(3), 032201

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032201

3. 光吸收对GaN基发光二极管金属纳米表面反射镜的影响

金属纳米粗化图形反射镜被广泛应用到提高LED光提取效率。然而，金属纳米粗化图形反射镜带来的光吸收损耗却经常被忽略。中国科学院半导体研究所半导体照明研究开发中心于治国教授对影响金属纳米粗化图形反射镜光学性能的因素进行了深入研究。和传统的平面反射镜相比，使用Ag纳米粗化图形反射镜时，LED的光输出功率提高了78%，然而，使用Al纳米粗化图形反射镜时，LED的光输出效率仅提高了6%。使用FDTD对光吸收情况进行模拟，再进行金属反射谱分析，后发现金属纳米粗化图形反射镜的表面等离子体本征吸收起了重要作用。这个发现将对开发高性能金属纳米粗化图形反射镜、设计高性能的光电器件有着重要的推动作用。

图1 金属纳米粗化图形反射镜LED与传统平面反射镜LED的光输出功率-注入电流关系对比图

Influence of light absorption on the metallic nanotextured reflectors of GaN-based light emitting diodes

Xuejiao Sun, Zhiguo Yu, Ning Zhang, Lei Liu, Junxi Wang, Jinmin Li and Yun Zhang

J. Semicond.2019, 40(3), 032301

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032301

4. 低损伤磁控溅射法制备n型氧化物半导体纳米薄膜Cu2O基异质结太阳电池的光伏性能

日本金泽理工学院光电器件系统研发中心Toshihiro Miyata教授利用新型多室溅射系统制备了n型氧化物半导体薄膜，并制备了采用该薄膜的Cu2O基异质结太阳能电池，改善了电池的光伏性能。利用该多室溅射系统优化溅射条件，本实验还得到了AZO/p-Cu2O异质结太阳能电池的最高效率（3.21%）。该效率值等于甚至高于利用脉冲激光沉积法制备的相似结构的AZO/ Cu2O太阳电池。

图6 AZO/p-Cu2O异质结太阳能电池典型J–V特性与其预溅射时间的关系曲线

Photovoltaic properties of Cu2O-based heterojunction solar cells using n-type oxide semiconductor nano thin films prepared by low damage magnetron sputtering method

Toshihiro Miyata, Kyosuke Watanabe, Hiroki Tokunaga and Tadatsugu Minami

J. Semicond.2019, 40(3), 032701

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032701

5. 基于蚁群算法的全角度宽光谱多层增透膜结构的优化设计

随着人类对清洁能源需求的不断增加，太阳能电池受到广泛关注。增透膜是决定太阳能电池效率的重要组成部分，传统的增透膜结构设计依据入射光和反射光干涉相消，从而增强透射，然而这种方法只针对单波长正入射。因此，如何提高表面增透膜的全角度宽光谱太阳光入射效率是一个重要的科学问题。

随着微纳技术的发展，人们发明了多种全角度宽光谱增透膜创新结构，例如仿生眼、亚波长Mie共振、多层多孔结构、纳米柱等等，最近人们又提出了折射率梯度变化（GRIN）结构用于消除菲涅尔反射。然而，由于优化过程中空间参数中包含了多个局部最小值，因此无法通过优化局部最小值从而确定增透膜整体结构。为解决这个问题，人们发展了遗传基因法、模拟退火法等优化算法用于优化设计增透膜结构中的折射率变化梯度。

自然界中，蚂蚁具有能够找到食物最短距离的超常能力，基于这种自然现象而发展出来的蚁群算法(Antcolony algorithm)是一种启发式算法。与传统优化方法相比，蚁群算法的全局优化结果对初始条件不敏感，在解决多种实际问题优化方案方面被证明是一种有效的、智能的优化方法。

北京邮电大学郭霞教授详细描述了将蚁群算法用于增透膜结构设计的方法，并做了两个改进：1、采用入射量子效率作为评价函数，改变了传统采用反射率或是透射率作为评价标准；2、采用由地面经纬度和时间决定的SPCTRL2太阳辐照光谱。以基多、北京和莫斯科三个城市为例，给出了0°~90°，300nm~1100nm入射条件下增透膜优化结构，最大入射效率可以提高4%。

光学性能表征相对容易，然而具有优异光学性能的光学结构设计的手段却相对匮乏，本文为获得全角度宽光谱增透膜结构的设计提供了一种有效的优化算法。

图1 N层抗反射涂层系统的折射率梯度结构。平面波由空气中入射，其折射率为n0，入射角为θ。抗反射涂层每一层的厚度均为di，折射率为ni（i=1，2，…，N）。假设整个吸收层位于底层，其折射率为nab且无背表面反射。右侧曲线显示了折射率梯度变化的数值以及各抗反射层的厚度

Optimization of broadband omnidirectional antireflection coatings for solar cells

Xia Guo, Qiaoli Liu, Huijun Tian, Ben Li, Hongyi Zhou, Chong Li, Anqi Hu and Xiaoying He

J. Semicond.2019, 40(3), 022702

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032702

6.高效硅异质结太阳能电池的金字塔尺寸控制和形貌处理

硅异质结太阳能电池越来越受到产业界和学术界的关注。硅片的表面形貌对于获得高质量的非晶硅/单晶硅异质结界面非常重要，对电池性能产生重大影响。

中国科学院半导体研究所集成光电国家重点实验室田小让博士生首次提出在单晶硅制绒过程中，刻蚀速率存在一个拐点。在这个拐点时的刻蚀量和金字塔尺寸存在一个非常明显的线性关系。拐点和拐点处的刻蚀量随刻蚀工艺不同而发生改变。我们的研究表明金字塔尺寸可以通过控制拐点处的刻蚀量进行有效控制。通过这种方法，我们制备出了0.5微米到12微米范围的金字塔，并获得了适合异质结电池的金字塔最优尺寸范围。图1显示刻蚀处的刻蚀量可以通过改变刻蚀条件进行调整。图2可看出金字塔尺寸和拐点处的刻蚀量存在线性对应关系。

图1 刻蚀量随刻蚀时间的延长而增加

图2 金字塔尺寸和拐点处的刻蚀量的对应关系

但是，仅通过金字塔的有效控制不足以获得更高的界面钝化效果和更高的开路电压。因此，采用化学平滑法进行了各向同性刻蚀工艺研究，以使金字塔表面变的“圆”和“光滑”，基本上去除了小的缺陷结构。

利用金字塔尺寸控制和形貌处理技术，结合非晶硅沉积和电极优化技术，我们制备出了转换效率达到23.6%的硅异质结电池，开路电压达到734mV，短路电流39.9mA/cm2，填充因子达到80.6%。

Pyramid size control and morphology treatment for high efficiency silicon heterojunction solar cells

Xiaorang Tian, Peide Han, Guanchao Zhao, Rong Yang, Liwei Li, Yuan Meng and Ted Guo

J. Semicond.2019, 40(3), 032703

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032703

7. 面向电子应用的新型g-C3N4/G/h-BN异质结构

印度Motilal Nehru National Institute of Technology Allahabad电子与通信工程系Santosh Kumar Gupta教授和印度Loknayak Jai Prakash Institute of Technology Chhapra电气与电子工程系Rupesh Shukla教授研究了外电场对六角叠层结构（AAA）中石墨碳氮化物-石墨烯-六角氮化硼（g-C3N4/G/h-BN）和Bernal叠层结构（ABA）中石墨烯-石墨碳氮化物-六角氮化硼（G/g-C3N4/h-BN）共两种异质结构的带隙的影响，计算了其层间距、束缚能以及有效质量。利用密度泛函理论（DFT）进行了结构优化，并加以范德华修正。本文列出了这两种异质结构的层间距、带隙、束缚能和有效质量值，并分别与六角叠层结构和Bernal叠层结构的双层石墨烯（BLG）、异质双层石墨烯-六方氮化硼（G/h-BN）、异质双层石墨烯-石墨碳氮化物（G/g-C3N4）和石墨碳氮化物-石墨烯-石墨碳氮化物（g-C3N4/G/g-C3N4）异质结进行了比较。结果发现在本文所考虑的异质结构中，g-C3N4/G/h-BN具有较低的有效质量和较宽的带隙。

图1 本文提出的（a）ABA叠层结构的G/g-C3N4/h-BN和（b）AAA叠层结构的g-C3N4/G/h-BN异质结构

Bandgap engineered novel g-C3N4/G/h-BN heterostructure for electronic applications

Santosh Kumar Gupta  and Rupesh Shukla

J. Semicond.2019, 40(3), 032801

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032801

8. GaN和BGaN单量子阱紫外发光二极管的数值模拟

阿尔及利亚Abou-Bekr Belkaid大学材料技术与可再生能源研究所Asma Belaid教授利用TCAD Silvaco模拟器来模拟基于AlGaN/GaN/AlGaN和AlGaN/BGaN/AlGaN结构的单量子阱紫外发光二极管（LED）。第一种结构在n-AlGaN和p-AlGaN两层之间插入一个GaN量子阱。第二种结构则仅是用BGaN量子阱代替第一种结构中的GaN量子阱。本实验将BGaN量子阱中的硼浓度修正为1%，并将两种结构中的GaN和BGaN量子阱层的厚度设定为7 nm到20 nm之间的值。结果表明，对于GaN LED和BGaN LED，其最大电流分别为0.52 mA和0.27 mA，最大功率谱密度分别为1.935 W cm−1 eV−1和6.7 W cm−1 eV−1，最大自发辐射则分别为3.34×1028 s−1 cm−3 eV−1和3.43×1028 s−1 cm−3 eV−1，且最大光输出功率分别为0.56 mW和0.89 mW。

图6 GaN-LED和BGaN-LED的通量谱密度

Numerical simulation of UV LEDs with GaN and BGaN single quantum well

Asma Belaid  and Abdelkader Hamdoune

J. Semicond.2019, 40(3), 032802

doi: 10.1088/1674-4926/40/3/032802