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我院李京波教授“珠江创新创业团队” 2020年工作亮点

我院李京波教授“珠江创新创业团队”

2020年工作亮点

 

    20203月,以李京波教授为带头人的“新型半导体掺杂机制研究及器件应用”科研团队正式入选“珠江创新创业团队”。项目支持1年以来,该团队在学术论文、科研平台、科技奖项、专利转化、社会影响等方面取得了很大进展。近日,李京波教授“珠江创新创业团队”总结汇报了2020年以来取得的10项工作亮点。

亮点1. 在新型可编程单边整流器研究中取得重要进展。传统非对称掺杂的二极管一旦完成制造,其两侧的掺杂浓度和交错型能带排列特征就被固定,无法调控。李京波教授团队通过能带设计,找到了一种接近裂隙型(Near-broken)的能带排列类型,结合二维材料非常容易实现栅极静电掺杂的优势,构筑了一种新型可编程单边整流器。通过栅极电压调节,可以实现器件电流在复合机制和隧穿机制之间转换,从而实现了输出信号方向和幅度的可调。成果论文《Reversible Half Wave Rectifier Based on 2D InSe/GeSe Heterostructure with NearBroken Band Alignment》发表在:Advanced Science 2020, 1903252https://doi.org/10.1002/advs.201903252),李京波教授为论文的共同通讯作者,该论文被Advanced Science选为杂志封面。这项研究成果为未来换流电路和调速电路的简化提供一条可能的途径,在反常霍尔效应,光电探测和半波整流器等方面取得了国际领先地位。

亮点2.全介质纳米结构米氏共振耦合光增益实现超灵敏光电探测。李京波教授团队合作设计了一种集成Si纳米柱阵列和2D In2S3的器件结构,周期性Si纳米柱作为Fabry-Pérot增强的Mie谐振器,可以有效控制和增强2D In2S3的光吸收,在In2S3沟道中引入了垂直的内建电场以俘获光生空穴,使电子在In2S3中循环,从而获得高光增益。作为2D材料家族的新鲜血液,非层状2D材料(2DNLM)在新一代光电器件的应用中已显示出巨大的潜力:一方面,周期性的Si纳米柱阵列可以充当Fabry-PérotFP)增强的米氏(Mie)谐振器,能有效地控制和增强2D In2S3的光吸收;另一方面,pSi会和nIn2S3构成异质结,在In2S3沟道中引入垂直的内建电场,能有效捕获光生空穴,使电子在In2S3中循环,从而获得高光增益。受益于这两种机制,所制备的光电探测器在405 nm波长下响应度达到4812 A/W,上升/下降时间仅为5.2/4.0 ms,探测度达到5.4×1015 Jones,是目前最灵敏的2D材料光电探测器之一。成果论文《AllDielectric Nanostructure FabryPérotEnhanced Mie Resonances Coupled with Photogain Modulation toward Ultrasensitive In2S3 Photodetector》发表在Advanced Functional Materialshttps://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202007987),第一作者为硕士研究生陆健婷,郑照强副教授和李京波教授为共同通讯作者。这项工作为构建高性能光电器件提供了新的思路和途径。

亮点3. 应力耦合光学调控构建高灵敏度In2S3光电探测器。李京波教授团队合作开发了一种简单的应变工程结合光学调节来构建新型In2S3光电探测器方案。该方案主要体现在两个方面:一方面,纳米光栅上的二维In2S3可以自发地形成面内应变形态,从而改变了In2S3的局部电子结构,形成了背对背的内置电场阵列,从而促进了光生电子-空穴对的分离并抑制了暗电流;另一方面,SiO2纳米光栅阵列会使得部分In2S3悬浮,减轻衬底对材料的影响,纳米光栅周围会形成局域场,提高材料的光捕获。因此,所构建的器件具有极其灵敏想响应性。成果论文《Strain Engineering Coupled with Optical Regulation towards High-sensitivity In2S3 Photodetector》发表在Materials Horizonshttps://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2020/mh/d0mh00243g#!divAbstract)。第一作者为硕士研究生陆健婷,华南师范大学半导体科学技术研究院是论文的通信作者署名单位。这项工作为构建高性能光电器件提供了新的思路和途径。

亮点4. 大幅提升硅基光电探测器性能。近年来,研究发现可以将石墨烯转移到硅上而轻易的形成石墨烯-硅肖特基结,其新奇的光电性能在新一代光电探测器的开发中引起了极大的关注。李京波教授团队联合广东工业大学郑照强团队构建了In2S3/石墨烯/Si双异质结光电探测器,二维In2S3的引入不仅增强了石墨烯/Si的光吸收,促进了石墨烯/Si界面中电荷的高效分离,而且还带来了光电导增益。因此,In2S3/石墨烯/Si器件可以有效探测400-1200 nm的光谱范围,既具有4.53×104 A/W的超高光响应性,又具有小于3340 μs的快速上升和衰减时间。此外,该器件表现出出色的长期稳定性,即使在空气中放置一个月或运行1000个循环后,其性能下降也可忽略不计。成果论文《2D In2S3 Nanoflake Coupled with Graphene toward HighSensitivity and FastResponse BulkSilicon Schottky Photodetector》发表在SmallDOI10.1002/smll.201904912)上,论文链接:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/smll.201904912。这项工作为构筑新一代兼具高响应性和超快响应速度的光电探测器提供了策略。

亮点5. 探索了两种新兴半导体-金属卤化物钙钛矿与二维In2Se3中光电子产生、扩散与复合机制,并取得重要研究进展。(1)扩散长度是决定光电转换效率的关键物理因素,然而金属卤化物钙钛矿光生载流子扩散机制尚不明确,李京波和王启胜教授团队首次提出一种简单的荧光成像法,阐明了表面缺陷态、空间维度、光功率密度等因素对扩散长度的影响原理,对于理解钙钛矿半导体光电子器件工作机理具有指导意义,相关研究成果《Direct imaging of carrier diffusion length in organic-inorganic perovskites》发表在Appl. Phys. Lett. 115, 242104 (2019),原文链接:https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5133979 。该工作等到了美国物理研究院期刊APL的高度关注,编辑精选(Editors picks)该工作在期刊头版发表。(2)在当前的冯•诺依曼架构中,光电传感器与存储器物理空间分离导致数据处理的功耗大、效率低和带宽窄。李京波和王启胜教授团队巧妙应用缺陷态工程,在二维In2Se3半导体实现了光电传感与存储集成器件,并提出缺陷态对光电信号操控的新原理,对于开发芯片集成的传感与存储器具有重要借鉴意义。相关研究成果《Nonvolatile charge memory with optical controllability in two-terminal pristine α-In2Se3 nanosheets》发表在J. Phys. D: Appl. Phys.53 075108 (2020),原文链接:https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1361-6463/ab5737。该工作被英国物理学会出版社IOP Publishing选中在其旗下媒体physics world做了亮点报道。

亮点6. 出版二维半导体的英文专著20203月,李京波教授应邀撰写的英文专著《TwoDimensional Semiconductors: Synthesis,Physical Properties and Applications》由世界著名出版集团WileyVCH正式出版,华南师范大学为第一署名单位。二维材料具有原子层厚度,由于其独特的结构、物理性质和广泛的应用而受到国内外众多科研人员的重视。二维半导体作为二维材料中一个重要的组成部分,具有无表面悬挂键、易于制备超薄与柔性器件等优势,是后摩尔时代重要的新型半导体材料之一。基于二维半导体的重要性和近年来的蓬勃发展,李京波教授接受WileyVCH出版集团的邀请,历时3年完成了该专著。该专著共分为9章,详细介绍了二维半导体的设计、制备方法和丰富多彩的应用,可以为材料、半导体与固体物理、电子等领域相关研究机构和半导体工业界的读者们提供重要参考。专著出版号ISBN: 978-3-527-34496-3,网络链接为:https://onlinelibrary.wiley.com/doi/book/10.1002/9783527815968

亮点7. LED显示芯片用微纳米图形化蓝宝石衬底的关键技术及应用荣获安徽省科技进步一等奖(排名第一)。衬底是LED芯片的关键,90%以上的LED芯片市场是用蓝宝石衬底。但是,GaN和蓝宝石的晶格失配达14%,严重影响LED发光效率,这就需要通过图形(PSS)衬底释放应力,提高GaN的晶体质量,从而提高发光效率。要大面积推广Micro-LED显示,必需解决小尺寸LED晶粒生产和纳米半导体制程问题,具有高晶体质量、高工艺稳定性的图形化蓝宝石衬底是解决M-LED大规模产业化问题的根本,大尺寸(效率)、高精度(品质)、纳米级PSS(性能)技术成为Micro-LED/ Mini-LED 急需突破的“卡脖子”技术。李京波教授团队经过刻苦攻关,取得了3个创新点的核心技术,使得“高效氮化物LED 材料及芯片关键技术”重点项目实现突破。创新点1:梯度折射率的复合型图形化蓝宝石衬底制备技术。该技术针对 LED 显示芯片关键问题,在国内率先制备出具有梯度折射率的复合型图形化蓝宝石衬底结构,突破了高折射率材料界面光提取难题,提高了LED芯片的电光转换效率,极大提升了 LED 芯片在显示领域的应用性能。创新点2:大面积超高分辨纳米压印技术。该技术发明了自主知识产权新型纳米压印模具,实现了大面积蓝宝石衬底表面微纳米图案加工,降低了生产成本,生产效率提升20%以上;开发出超高分辨纳米压印技术,提高了芯片使用面积及效率,实现了量产分辨率 20nm,解决了显示LED 芯片衬底大尺寸(6~8英寸)产业化工艺难题。创新点3:高均匀性干法刻蚀技术和超洁净清洗技术。该技术采用国内首创的铝/碳化硅复合托盘,借鉴集成电路硅基制程技术,成功开发高均匀性干法刻蚀技术,达到纳米级精确刻蚀,有效解决了LED芯片大尺寸衬底均匀性难题,率先提出使用单片式超洁净清洗方法,明显改善了颗粒问题,极大提高了芯片良率。经科技部鉴定:上述3个创新点发展了蓝宝石图形化衬底上两部成核外延技术,器件内量子效率达74.9%,外量子效率大于35%。安徽省三祥科技成果评价中心组织有关专家召开科学技术成果评价报告会,经质询和讨论,专家组认为:该成果总体技术水平国内领先,解决了微纳米图形化蓝宝石衬底的关键技术,打破了国际垄断,带动了产业发展,获评安徽省科技进步一等奖。

亮点8. 2021年度广东省芯片与集成技术重点实验室。李京波教授团队申报的广东省芯片与集成技术重点实验室项目202132日正式获得批准并进入公示期(http://gdstc.gd.gov.cn/zwgk_n/tzgg/content/post_3233086.html),该重点实验室志在面向半导体芯片国家战略需求,打造国际一流的芯片平台,凝聚一批高水平的科研人才,以基础研究和应用基础研究为主体,以外延生长、掺杂技术、异质结设计等关键技术研究为支撑,攻克被西方‘卡脖子’IGBT芯片的核心技术,促进我国半导体芯片产业的发展与升级。

亮点9. 成功转化5项发明专利。为深化产学研融合,李京波教授团队将“第三代半导体SiC等材料与器件”科研成果形成5项发明专利(一种SiC/SnS2异质结光电晶体管的制备方法<专利号202110251925.3>、一种SiC基二硫化钨紫外-可见光电探测器及其制备方法和应用<专利号202110251934.2>、通讯波段红外探测器及其制备方法<专利号ZL201910332683.3>、一种新型Sn02微米线及其制备的柔性电子器件和应用<专利号ZL201911031713.3>、一种单原子层的二硫化钨二维材料及其逆向物理气相沉积的制备方法和应用<专利号ZL201911032943.1>),经资产评估公司评估后形成技术专利对应的价值,以知识产权作价入股到浙江芯国半导体有限公司。这项工作是打通从科技创新到市场应用“最后一公里”的重要举措,对促进国内半导体产业创新发展具有重要意义。

亮点10.李京波教授入选科睿唯安2020年全球高被引学者20201118日,科睿唯安(Clarivate Analytics)公布了2020年度"高被引科学家"名单,李京波教授继2017年、2019年后第3次入选该榜单。全球"高被引科学家"名单旨在通过引文分析揭示各学科领域内被同行认为在最具影响力的科研人员,基于Web of Science数据,通过对过去10年间的引文数据的分析,该名单遴选出了各领域中高被引论文数量最多,即受到全球同行集体认可的最具引文影响力的科研人员,排名在前1%的论文为该领域的"高被引论文",这些论文的作者则入选该学科领域"高被引作者",论文被引次数是评价科研工作者研究成果的一项重要指标,而入选"高被引科学家"榜单,彰显着该学者在其所研究领域具有世界级影响力,其科研成果为该领域发展作出了较大贡献。


 

 

 

 

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