新型半导体光电子材料与器件

招生导师：朱德亮、饶峰、曹培江、柳文军、韩舜、刘新科、方明、丁科元、王春枫

课题组一：新型半导体光电子材料与器件课题组

简介：

课题组立足国家、大湾区和深圳市科技发展需要，开展新型半导体薄膜材料和纳米结构材料的研究，解决新型半导体光电子学研究领域中的材料、物性及器件问题，实现其在发光、显示、光电探测、太阳能电池、高压功率器件、光电催化、气敏传感、触觉传感等方面的应用。

课题组近年来承担了国家级科研项目10余项；在Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、ACS Nano、Mater. Today等国际知名杂志上发表学术论文200余篇；授权国际专利2项，国家发明专利10余项；获得省科技进步奖一等奖和二等奖各1项、省科学技术奖二等奖1项、中国电子学会科技进步奖二等奖1项。组内学生就业/升学率达100%，去向包括中山大学、澳门大学、华为、中兴等知名单位。

课题组研究方向：

宽禁带半导体材料及其深紫外探测器件；氧化物薄膜场效应晶体管；氧化物半导体透明导电薄膜材料与应用；半导体纳米材料的制备、表征和光电器件；钙钛矿太阳能电池；高压氮化镓功率器件；类石墨烯二维材料的制备与器件；发光材料及其智能传感器件等。

课题组主要成员：

课题组负责人朱德亮教授

深圳大学材料学院教授，理学博士，博士生导师。现任材料学院副院长，广东省功能材料界面工程技术研究中心主任。入选广东省“千百十”人才工程省级培养对象，深圳市地方级高层次专业人才。多年来一直从事新型半导体光电功能材料与器件方面的研究工作。主持和参加完成多项国家和省市级课题研究，其中主持和完成国家自然科学基金项目3项；发表学术研究论文150余篇；获省科学技术奖二等奖和省科技进步奖二等奖各1项。

课题组成员曹培江教授

深圳大学材料学院教授，博士，硕士生导师。长期从事纳米材料开发与应用，目前研究工作主要集中于气体传感器、紫外探测器领域；主持国家自然科学基金项目1项，获授权专利3项，第一或通讯作者在Chem. Eng. J.、Sens. Actuators B、J. Alloy. Compd.等国际知名期刊发表论文30余篇。

课题组成员柳文军副教授

深圳大学材料学院副教授，曾任材料学院副院长，毕业于武汉大学物理化学专业，获博士学位。近年来主要从事新型太阳能电池、电催化和光电催化等能源材料与器件领域的研究工作，已在国内外重要学术刊物上发表论文30余篇，获得发明专利授权2项。

课题组成员韩舜副教授

韩舜，深圳大学材料学院副教授，博士。2011年博士毕业于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所。致力于面向隐形飞机、洲际导弹追踪，臭氧空洞监测，超高速宽带光通讯，高保密性无线通讯网络，神经模拟中的日盲紫外光探测材料和探测器件开发和特性研究工作，在ACS Appl. Mater. Interfaces，J. Mater. Chem. C，ACS Photonics，J. Phys. Chem. C等国际知名期刊发表研究论文50余篇，被引用1300余次，H因子19，授权专利1项。主持过国家自然科学基金1项、深圳市基础研究项目2项、广东省基础研究项目1项。

课题组成员刘新科助理教授

深圳大学材料学院副教授，博士，博士研究生导师，广东省杰青，深圳市海外高层次人才（B类），深圳大学“荔园优青”。主要从事宽禁带半导体氮化镓材料与器件研究。以第一或通讯作者在Mater. Today、Small等国际知名期刊发表论文120余篇，授权专利29项并转让25项。主持科技部重点研发计划课题等11项国家、省、市级科研项目。作为第一完成人，获2022年广东省科技进步奖二等奖和2022年中国电子学会科技进步奖二等奖各1项；获2023年深圳市青年科技奖(提名人：毛军发院士/校长)。

课题组成员方明助理教授

深圳大学材料学院副教授，博士，深圳市海外高层次人才(C类)。主要从事半导体光电器件、光/电催化等方面的研究，在Adv. Energy Mater.、Adv. Opt. Mater.、ACS Nano、Nano Energy等期刊今发表论文20余篇，其中有数篇论文被选为期刊封面文章。主持国家自然科学基金和深圳市自由探索项目各1项。

课题组成员王春枫助理教授

深圳大学助理教授/特聘研究员、深圳市海外高层次人才。从事光电功能材料与器件研究，在Adv. Mater.等期刊发表文章60余篇，其中ESI高被引文章16篇；曾获河南省自然科学奖一等奖、河南省优博、深圳大学优秀教职工等荣誉；主持国家自然项目2项、深圳市及其它项目4项；授权专利7项。任《Exploration》、《Soft Science》等杂志青年编委。

代表性国家级项目：

（1）国家自然科学基金项目“用于触觉成像力致发光材料的可控合成及微观机理研究”编号：52372154，2024/01-2027/12。

（2）国家自然科学基金项目“用于紫外探测非晶Ga2O3薄膜的可控制备、微观表征及响应机理分析”

编号：12074263，2021/01-2024/12。

（3）国家自然科学基金项目“一维力致发光压电半导体纳米材料阵列的制备及其应用研究”

编号：52002246，2021/01-2023/12。

（4）国家自然科学基金项目“基于氧化镓薄膜的高性能日盲紫外探测材料和器件的设计及制备研究”

编号：51872187，2019/01-2022/12。

（5）国家自然科学基金项目“单一立方相MgxZn1-xO纳米棒垂直阵列的可控生长及其全日盲波段紫外探测器的应用研究”

编号：11774241，2018/01-2021/12。

（6）国家自然科学基金项目“模拟光合作用过程的分离式光电催化分解水制氢体系的研究”

编号：21805194，2019/01-2021/12。

（7）科技部重点研发计划“战略性先进电子材料”，“GaN基新型电力电子器件关键技术”，编号：2017YFB0403000，2017/07-2021/06。

（8）国家自然科学基金项目“柔性p型NiO薄膜晶体管的溶液法制备及电输运机理研究”

编号：61704111，2018/01-2020/12。

（9）国家自然科学基金项目“基于p-Cu2O帽层的增强型硅基AlGaN/GaN异质结场效晶体管的制备及可靠性研究”

编号：61504083，2016/01-2018/12。

（10）国家自然科学基金项目“柔性衬底氢掺杂ZnO:Al薄膜的类金属导电性质及其应用研究”

编号：51371120，2014/01-2017/12。

亮点研究成果：

1、“Contactless User-Interactive Sensing Display for Human–Human and Human–Machine Interactions”

J. He, R. Wei, X. Ma, W. Wu, X. Pan, J. Sun, J. Tang, Z. Xu, C. Wang, C. Pan, Adv. Mater. 2024, 36, 2401931.

接触交互不但将交互动作局限于简单的按压和滑动，而且不可避免的存在交叉感染和物理损害等风险。本文章通过将具有高湿度响应性的水凝胶集成到交流电致发光（ACEL）器件中，从而利用湿度引起的电场分布变化，实现对非接触刺激的传感及发光显示。作为概念验证，器件被用于非接触人人交互和人机交互。

2、“Boronization: A General Strategy for Rare Earth Oxides with Enhanced High‐κ Gate Dielectric Performance”

W. Xu, T. Peng, C. Zhou, D. Zhu, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2023, 15, 53725.

稀土氧化物因其较大的带隙、较高的导带偏移量以及优异的热力学性能，被认为是理想的介电材料。然而，其严重的吸湿性和较高的缺陷态极大地限制了其作为介电层在相关器件中的应用。本文章提出了一种硼化策略，能够有效减少稀土氧化物薄膜中的氧空位/羟基缺陷和抑制吸湿性，显著提升了一系列高κ稀土氧化物的介电性能。同时，本文基于硼化稀土氧化物介电层，组装了薄膜晶体管器件，其表现出优异的开关性能。

3、“Vertical Van der Waals Epitaxy of p-MoxRe1-xS2 on GaN for Ultrahigh Detectivity UV-Vis-NIR Photodetector”

Z. Jiang, J. Zhou, B. Li, Z. Ma, Z. Huang, Y. Yang, Y. Zhang, Y. Huang, H. Zhang, K. Fan, Y. Li, X. Liu, Adv. Optical Mater., 2024, 12, 2302613.

借鉴组内氮化镓（GaN）垂直功率器件经验，充分发挥氮化镓宽直接带隙（3.4 eV）、高载流子迁移率（约1250 cm2/V.s）、高辐射硬度和热导率的优势，将p型导电特性的高质量连续的MoxRe1-xS2薄膜通过化学气相沉积外延至氮化镓自支撑衬底之上，设计并制造了一个完全垂直的2D/3D vdW堆叠p-MoxRe1-xS2/GaN（x=0.100.02）异质结光电探测器，整合了多种增强性能的策略，如混合维度堆叠、p型掺杂、垂直器件设计和II型能带排布对齐。

4、“Surface-Guided Formation of Amorphous Mixed-Metal Oxyhydroxides on Ultrathin MnO2 Nanosheet Arrays for Efficient Electrocatalytic Oxygen Evolution”

M. Fang, D. Han, W.B. Xu, Y. Shen, Y.M. Lu, P.J. Cao, S. Han, W.Y. Xu, D.L. Zhu, W.J. Liu, J. C. Ho, Adv. Energy Mater., 2020, 10, 2001059.

研究团队提出了一种“表面引导形成非晶催化剂”的材料设计思路，通过简单的电偶置换反应，在镍掺杂二氧化锰（Ni-MnO2）纳米片阵列表面形成镍-铁-氧非晶态混合物覆盖层。所得材料在电解水析氧反应中表现出优异的催化活性和稳定性。这种“表面引导”合成策略为功能性非晶材料在三维尺度上的集成及应用提供了新思路、新方法。

5、“UV Response Characteristics of Amorphous Ga2O3 Thin Films With Different Microatom Distributions and a Low-Temperature Fabricated Ultrahigh-Performance aGa2O3 UV Detector”

Yanghua Chen, Shun Han,* DeWu Yue,* Ming Fang, Yu Xiang Zeng, Wenjun Liu, Peijiang Cao, and Deliang Zhu* , ACS Photonics 2024, 11, 985−999

利用Ga2O3薄膜内部非晶与微晶颗粒间的隧穿倍增效应，获得了超高性能的Ga2O3日盲紫外探测器(响应度：208563.56 A/W at 250 nm@25 V)、暗电流：0.59 pA@25 V，信号噪声比：3.40× 109 at 4.3 μW/cm2 250 nm @25 V，响应时间: tr1: 52.20 μs, tr2: 123.51 μs, 恢复时间: td1: 1.61 ms, td2: 33.07 ms)。有利于迅速将超高性能的Ga2O3日盲紫外探测器推广到超高速紫外光通讯、超大容量紫外光存储、高保密性无线通讯技术、神经系统模拟及神经网络运算等方面。

联系我们：

本课题组欢迎对新型半导体光电子材料与器件研究领域具备浓厚兴趣，有相关专业背景的博士、硕士、本科生加盟。

朱德亮  dlzhu@szu.edu.cn

曹培江  pjcao@szu.edu.cn

柳文军  liuwj@szu.edu.cn

韩舜     hsdf52690@126.com

刘新科  xkliu@szu.edu.cn

方明     m.fang@szu.edu.cn

王春枫  cfwang@szu.edu.cn

课题组二：纳电子材料与器件研究团队介绍

简介：纳电子材料与器件实验室成立于2017年初，主要研究方向包括：（1）高性能相变信息存储材料与器件；（2）先进存算融合相变器件；（3）新型阈值选通材料与器件；（4）新型纳米/二维光电材料与器件；（5）原位外场激励透射电子显微结构解析、第一性原理计算。近五年，已发表Science（4）、Materials Today（2）、Chemistry of Materials、Nano Energy、NPG Asia Materials等高水平论文近30篇。获得国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金优青项目、广东省基础与应用基础研究基金重点项目、广东省普通高校省级重大科研项目、深圳市基础研究布局项目等十余项重要项目资助。

代表性成果1：超快缓存SRAM级新型ScSbTe相变材料与器件

传统基于冯∙诺依曼架构的商用计算体系中数据处理与存储分离，各层级存储部件（缓存SRAM、内存DRAM和闪存NAND SSD）间性能差距日益加大，形成‘存储墙’妨碍整体计算效率的提升，约40%的能耗仅用于数据的往返搬运而非计算或存储；因此业界长期力图以新兴非易失性存储技术（包括相变信息存储器PCRAM）实现通用型存储器，弥合性能失配从而改进冯∙诺依曼体系架构。

商用PCRAM器件中锗锑碲（GeSbTe）相变存储材料形核随机性较大，其结晶化过程通常需要几十至几百纳秒，致使PCRAM的写操作速度仍然无法媲美高速型存储器，如DRAM（亚十纳秒）和SRAM（亚纳秒）。我们提出了超高速相变材料的设计方案，即降低非晶相变薄膜形核的随机性以实现超高速结晶化（写）操作：基于设计的钪锑碲（ScSbTe）相变合金，PCRAM器件实现了0.7纳秒高速可逆操作，循环寿命大于1E7次。与商用GeSbTe器件相比，ScSbTe器件的操作功耗降低了近10倍。这一研究成果有助于更深入的理解和调控非晶态材料的形核与生长机制，并为实现我国自主通用存储器技术提供了关键的功能材料。该成果发表在Science 358, 1423 (2017)，ScSbTe体系组分优化结果发表在NPG Asia Materials 12, 63 (2020)。

代表性成果2：捕捉相变存储材料过冷液相中发生的结构转变

相变存储材料最显著的特性在于高操作速度且数据非易失性：高温（600-700 K）下可实现纳秒乃至亚纳秒级高速晶化；而在室温（300 K）下，非晶态数据可实现十年以上的稳定保持。这说明相变存储材料的过冷液相（supercooled liquid phase）在玻璃转变温度Tg与熔点Tm之间存在着巨大的动力学变化，然而这种动力学反差的微观结构起源却始终是个谜。这是因为快速的（纳秒-亚纳秒）晶化特性致使探测相变存储材料过冷液相中的液—液结构转变变得极具挑战，需采用超快（飞秒级）时间分辨手段方能在晶化发生之前捕捉结构信息。该成果发表在Science 364, 1032 (2019).

我们还发现ScSbTe体系中存在此类潜在液—液结构转变诱发的脆性-刚性转变（Fragile-to-strong crossover）所导致的显著结晶动力学反差：高温下体系较脆性（低粘度）以提供高原子迁移率，保证快速晶体生长；低温下较刚性（高粘度）致使无序体系粘滞，抑制结构有序结晶化。此特性结合ScSbTe较高的异质形核率，共同促成其器件快速（结晶）操作和（非晶）数据非易失的优秀特质。此成果发表在Chemistry of Materials 31, 8794 (2019)。

代表性成果3：高精度、多态存储二维相变异质结材料与器件

随着人工智能、大数据、物联网等领域的迅猛发展，基于各类非易失性存储技术的类脑神经拟态计算器件已成为研发热点，以期发展非冯∙诺依曼架构的全新计算体系，促进存算融合，大幅提升整体计算性能和效率。商用PCRAM器件在反复可逆相变操作过程中，GeSbTe材料组分逐步偏析乃至出现较大孔洞，其非晶相具有本征的电阻值随时间显著漂移特性，且在结晶化时亦存在较大的随机性，致使多数据态存储操作时各态电阻值波动较大，导致高密度存储阵列的单元间与单元内反复多次操作一致性、协同性低下，造成神经元计算时噪声颇高，严重制约了高精度、高效率神经元计算器件的开发。

我们提出了相变异质结(Phase-change heterostructure，PCH)的设计方案，可有效抑制玻璃态相变材料结构弛豫以及反复可逆相变过程中的组分偏析，将PCRAM器件数据态的阻值波动和漂移降低到前所未有的水平。该PCH基PCRAM器件在迭代RESET操作时可实现9个稳定的多态存储（各电阻态阻值漂移系数小于~0.005，远低于非晶GeSbTe器件的~0.11），并在累积SET操作时器件电导呈现高一致性（波动小于9%，而GeSbTe器件波动则超过40%）。这些优越的性能适用于精准矢量矩阵乘法计算、快速时序相关探测和其他要求高精度和高一致性的机器学习任务。此外，相比GeSbTe器件，PCH器件的操作速度快一个数量级（达亚10 ns级）、操作寿命提升三个数量级、操作功耗降低超过87%，亦为发展DRAM型高性能PCRAM器件提供了可行的解决方案。该成果发表在Science 366, 210 (2019).

代表性成果4：匀质类脑计算硬件架构实现高效存算应用

现行神经拟态计算硬件多基于高密度非易失性存储器阵列，其与选通器件、外围电路形成异质集成架构；当器件尺寸微缩时，异质集成各部件之间的功能模块集成不兼容性、互联电阻的失配度将更加严重。采用集存储器与双极性晶体管两种性能于一身的二维铁电薄膜晶体管及阵列，将有望构建更加匀质的神经拟态计算硬件架构，有效缓解存储与计算单元间的长距离、大规模数据往返搬运，为实现高带宽、快响应的神经拟态芯片提供重要的平台；进一步结合二维相变异质结、相变超材料等对于光、电、热、力外场激励的灵敏响应特性，是实现感-存-算高效集成芯片，推动人工智能应用如目标识别、决策判定、自动驾驶等多项技术进步的重要途径。该成果发表在Science 373, 6561 (2021)。

代表性成果5：高精度相变存算的内在机制—不寻常的二维相变

我们已在Science论文中报道了相变异质结PCH器件的优良宏观电学性能，但其微观工作机制却并不完全明晰，尤其是纳秒电脉冲作用下PCH是否真实执行了二维可逆相变？迭代多态编程时超低阻值漂移和累积渐变编程时超低电阻噪声的微观结构衍化是如何进行的？PCH为何可实现亚10 ns级的高速结晶化？我们采用原位透射显微技术观测PCH在电脉冲诱导下相变行为以尝试解答上述问题。我们发现PCH执行不寻常的二维相变，显著区别于传统‘不受限’三维相变：这是一类受到晶体模板高度调制的二维可逆非晶-多晶相变，大幅抑制了二维非晶相变层的结构弛豫和重结晶随机性，促成了器件高精度、高速度编程性能；通过材料理论设计，我们筛选出更优的ZrTe2等二维限制层材料，提出Sb2Te3/ZrTe2、Sb/ZrTe2等新式PCH体系；此工作为后续相变存算性能提升明确了材料与器件结构优化方向。此结果发表在Mater. Today 54, 52 (2022)。

团队组成：纳电子材料与器件研究团队成立于2017年，实验室学术带头人为饶峰特聘教授(国家优青、深圳市国家级领军人才)；目前团队包括国家优青1名、广东省杰青1名、深圳市国家级领军人才2名、深圳市孔雀高层次人才B类1名，C类1名；专职研究人员、博士后与硕士生若干。

实验条件：研究团队现有千级超净实验间125平米、化学实验间65平米，装备专业的纳米薄膜制备、器件微纳加工与检测、纳米材料化学合成等必要设备，实验平台总投入1200余万元。包括：超高真空多靶共聚焦磁控溅射仪2台、反应离子刻蚀仪、紫外曝光光刻机、稳态荧光光谱仪、高性能变温电学分析探针台、任意波形发生器、高速示波器、半导体参数特性分析仪、皮秒脉冲信号发生器、原位加热冷却电阻测量台等；并在天津超级计算中心已购买800万核小时的超算机时，用于理论计算模拟。纳电子材料与器件实验室作为主体支撑2022年新获批《深圳市新型信息显示与存储材料重点实验室》，建设新型信息存储材料方向。

团队带头人：饶峰，2009年于中科院上海微系统与信息技术研究所获微电子学与固体电子学博士学位。现为深圳大学材料学院特聘教授。曾获得上海市自然科学奖一等奖（2020）、腾讯创始人团队冠名特聘教授（2020）、深圳市国家级领军人才（2018）、国家优青（2016）、中科院卢嘉锡青年人才（2014）、上海市青年科技启明星（2012）、中科院青年创新促进会首批会员（2011）、全国百篇优秀博士论文提名奖、中科院院长优秀奖、中科院优秀博士学位论文奖等荣誉。在Science、Mater. Today、Nat. Commun.、Mater. Today Phys.、Chem. Mater.、Nano Energy、NPG Asia Mater.等知名期刊发表第一/通讯作者署名SCI论文近70篇，总SCI论文120余篇；获中国授权发明专利40余项（美国专利5项），其中第一发明人授权专利6项（美国专利2项）。主持国家自然科学基金重点项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目、中国科学院战略性先导科技专项（A类）子课题、广东省基础与应用基础研究基金重点项目、广东省普通高校省级重大科研项目、深圳市基础研究学科布局、自由探索项目各一项、上海市青年科技启明星计划项目等；作为研究骨干，参加国家重大科学研究计划项目（A类）、国家科技重大专项项目等五项。

团队成员：丁科元，2017年于中科院上海微系统与信息技术研究所获得微电子学与固体电子学博士学位，现为深圳大学材料学院副教授。获广东省杰青（2021）、深圳市国家级领军人才（2020）、深圳大学荔园优青（2021）、中科院院长优秀奖、中科院优秀博士学位论文奖等荣誉。在Science、Mater. Today、NPG Asia Mater.、Chem. Mater.等期刊发表第一/共一作者署名论文10余篇，获授权发明专利5项，美国专利1项。主持国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年基金项目、广东省基础与应用基础研究基金杰出青年项目、广东省普通高校重点领域专项项目、深圳市基础研究面上项目、深圳市高等院校稳定支持面上项目A类等；参与国家自然科学基金重点项目和广东省基础与应用基础研究基金（区域联合基金）重点项目等。

团队成员：王雪鹏，2019年于吉林大学获得博士学位。2019-2022年与美国加州大学河滨分校(UC, Riverside)、美国加州理工学院(Caltech)从事博士后研究工作。现为深圳大学材料学院助理教授，主要从事基于密度泛函理论的第一性原理计算，发表第一/通讯作者署名SCI论文10余篇，合作论文20余篇，包括Nat. Energy、Adv. Mater.、Adv. Sci.、Acta Mater. 和npj Comput. Mater.等。

团队成员：陈献，2017年于香港城市大学获得材料学与工程专业博士学位。现为深圳大学材料学院助理教授。曾获深圳市海外高层次B类。在Nat. Commun.、Adv. Mater.、Small等期刊发表一作/通讯论文20余篇。主持国家自然科学基金青年基金项目，广东省基础与应用基础研究基金面上项目，深圳市基础研究自由探索项目等。