Si dominates the semiconductor industry material but possesses an abnormally low room temperature hole mobility (505 cm^2/Vs), which is four times lower than that of Diamond and Ge (2000 cm^2/Vs), two adjacent neighbours in the group IV column in the Periodic Table. In the past half-century, extensive efforts have been made to overcome the challenges of Si technology caused by low mobility in Si. However, the fundamental understanding of the underlying mechanisms remains lacking. Here, we theoretically reproduce the experimental data for conventional group IV and III-V semiconductors without involving adjustable parameters by curing the shortcoming of classical models. We uncover that the abnormally low hole mobility in Si originating from a combination of the strong interband scattering resulting from its weak spin-orbit coupling and the intensive participation of optical phonons in hole-phonon scattering. In contrast, the strong spin-orbit coupling in Ge leads to a negligible interband scattering; the strong bond and light atom mass in diamond give rise to high optical phonons frequency, preventing their participation in scattering. Based on these understandings rooted into the fundamental atomic properties, we present design principles for semiconducting materials towards high hole mobility.
Significant enhancement of hole mobility in [110] silicon nanowires compared to electrons and bulk silicon
利用sp 3d 5s * 紧束缚能带结构和电子和空穴的波函数，我们证明了在[110]生长的硅纳米线（SiNWs）中声学声子限制的空穴迁移率大于电子迁移率。所考虑的SiNW的室温声学限制的空穴迁移率可以高达2500 cm 2/Vs，这是几乎三倍大于体声学限制的硅空穴迁移率。结果还表明，[110]生长的硅纳米线的电子和空穴迁移率超过了类似直径的[100]硅纳米线，空穴迁移率相差近两个数量级。由于小直径的硅纳米线主要沿[110]方向生长，结果强烈表明这些硅纳米线可能在未来的电子学中有用。我们的研究结果也与最近的实验测量硅纳米线的流动性。
High mobility two-dimensional hole system on hydrogen-terminated silicon (111) surfaces
我们实现了一个二维空穴系统（2DHS），其中2DHS是由施加在真空腔两端的负栅电压在原子级平坦的氢终止的Si（111）表面上诱导的。在70 mK时，空穴密度可达$7.5\times10^{11}$ cm $^{-2}$，峰值空穴迁移率约为$10^4$ cm $^2$ /Vs.观察到了量子霍尔效应。Shubnikov-de Haas振荡由于自旋轨道效应而显示出拍频模式，并且推测的零场自旋分裂可以通过栅极电压来调节。
Contactless determination and parametrization of charge carrier mobility in silicon as a function of injection level and temperature using time-resolved THz spectroscopy
Ambipolar High Mobility Hexagonal Transistors on Hydrogen-Terminated Silicon (111) Surfaces
我们在化学制备的氢封端的Si（111）表面上制备了双极晶体管，其中通过改变通过真空间隙施加的全局栅极的栅极电压，二维电子系统（2DES）或二维空穴系统（2DHS）可以填充在同一导电沟道中。取决于栅极偏置，离子注入的n $^+$和p $^+$区域用作欧姆接触或平面内栅极，其横向限制由全局栅极引起的载流子。在一个器件上，分别获得高达$7.8\times10^{11}$ cm $^{-2}$和$7.6\times10^{11}$ cm $^{-2}$的电子和空穴密度。在300 mK下，峰值电子迁移率为$1.76\times10^5$ cm $^{2}$ /Vs，峰值空穴迁移率为$9.1\times10^3$ cm $^{2}$ /Vs;约20的比率主要是由于Si（111）表面上的电子和空穴的非常不同的谷简并（6：1）。在另一个器件上，在300 mK时达到$2.2\times10^5$ cm $^{2}$ /Vs的峰值电子迁移率。这些设备是六边形的，以调查潜在的对称性的2DES，它有一个六倍谷简并在零磁场。利用三重旋转对称性的磁阻测量方法确定了不同磁场下2DES的对称性。在填充因子$1 < ν< 2$下，观察到的各向异性可以用复合费米子（CF）的单个谷对占据来解释。定性的CF保存谷各向异性，除了双重谷简并。在磁场高达35 T时，观察到2/3分数量子霍尔态，霍尔平台发展良好;在$ν<2/3$…
基于III-V族半导体材料的晶体管已经用于由III-V族材料中的高电子迁移率驱动的各种模拟和高频应用。另一方面，III-V族材料中的空穴迁移率始终落后于IV族半导体，例如硅和锗。在本文中，我们探讨了使用应变和异质结设计的带结构模型，以提高空穴迁移率的III-V族材料。使用各种实验技术定量测量对于优化空穴传输重要的参数，例如应变、价带偏移、有效质量以及轻重空穴带之间的分裂。空穴的峰值霍尔迁移率为960 cm ~ 2/Vs，并且即使在高的薄层电荷下也保持了高的空穴迁移率。
Enhancement of the electronic thermoelectric properties of bulk strained silicon-germanium alloys using the scattering relaxation times from first principles
Correlating Raman Spectral Signatures with Carrier Mobility in Epitaxial Graphene: A Guide to Achieving High Mobility on the Wafer Scale
我们报告了碳化硅（SiC）上生长的外延石墨烯（EG）的载流子迁移率和拉曼形貌之间的直接相关性。我们发现，在SiC [SiC（0001）]的Si面上的材料的霍尔迁移率不仅高度依赖于厚度均匀性，而且单层应变均匀性。只有当厚度和应变在器件有效面积的很大一部分（> 40%）上均匀时，迁移率才超过1000 cm 2/V-s。此外，我们在SiC [SiC（000-1）]的C面上实现了高迁移率外延石墨烯（室温下为18，100 cm 2/V-s），并表明载流子迁移率强烈依赖于石墨烯层堆叠。这些发现提供了一种快速估计载流子迁移率的方法，并为在外延石墨烯中实现非常高的迁移率提供了指导。我们的研究结果表明，超高迁移率（> 50，000 cm 2/V-s）是通过均匀的旋转故障外延石墨烯的受控形成来实现的。
Shape relaxation of epitaxial mesa for finite-size strain-engineering
硅锗（Si $_{1-x}$ Ge $_x$）层通常用作MOSFET器件的栅极中的应力源。预期它们在漂移区和沟道区中引入有益的应力以增强电子迁移率。当减小栅极横向尺寸时，主要问题之一是应力松弛，其导致电子迁移率的显著降低。我们报告了一个新的形态演变的应变外延硅锗纳米层上的硅栅极（台面）驱动的应变不均匀性，由于有限尺寸效应。与应变膜的自诱导不稳定性不同，这种演变是由于自由边界的弹性不均匀性引起的。我们分析的热力学表面扩散框架内的弹性和毛细作用，前者被解决在两个维度感谢艾里形式主义的增长动力学。由此产生的动力学方程求解与分解的本征模式，并揭示了不同的发展，这取决于台面的几何参数。质量转移发生在松弛区域，并在纳米层自由表面处产生珠状，其具有作为时间和几何形状的函数的W或V形状。然后，结构的比例以及其规模控制了演变。
Thermoelectric transport properties of silicon: Towards an ab initio approach
我们将玻尔兹曼输运方程与{ \it ab initio}方法结合起来计算半导体的热电系数。电子声子，电离杂质，和电子等离子体散射率已被考虑。利用密度泛函理论计算了电子-声子耦合的能带结构和平均谷间形变势。线性化玻尔兹曼方程，然后解决了数值超过弛豫时间近似。我们的方法已被应用到晶体硅。我们目前的结果的迁移率，塞贝克系数，和电子的热导率的贡献，作为载流子浓度和温度的函数。计算的系数与实验结果吻合较好。
High performance position-sensitive-detector based on graphene-silicon heterojunction
基于横向光电效应的位置敏感探测器在光学工程、航空航天和军事等领域有着广泛的应用。随着人们对长距离、低能耗、弱信号传感系统的要求越来越高，传统硅基PSD响应度差已成为限制其应用的瓶颈。在此，我们提出了一种基于石墨烯-Si异质结构的高性能无源PSD。石墨烯适合作为光子吸收和电荷分离层，与Si作为结一起工作，而高迁移率提供了有希望的超长载流子扩散长度，并有助于器件的大有源面积。工作面积为8 mm x 8 mm的PSD在nWs水平上表现出优异的位置灵敏度（远远优于Si p-i-n PSD的~μWs极限）。更重要的是，它显示出非常快的响应和~ 3%的低非线性度，并将工作波长扩展到近红外（IR）区域（1319和1550 nm）。因此，这项工作提供了一个新的策略，高性能和宽带PSD。
High Curie Temperature Ferromagnetism and High Hole Mobility in Tensile Strained Mn-doped SiGe Thin Films
基于IV族材料的稀磁半导体（DMS）对于与当前硅技术兼容的自旋电子器件是期望的。本工作首先采用射频磁控溅射法在Ge衬底上制备了Mn掺杂的非晶SiGe薄膜，然后采用快速热退火（RTA）方法进行晶化。经过快速热处理后，样品变为铁磁半导体，居里温度随Mn掺杂浓度的增加而升高，Mn掺杂浓度为5%时，居里温度达到280 K。实验结果表明，SiGe晶体的铁磁性来自于空穴介导过程，并被SiGe晶体中的张应变所增强。同时，为了消除反常霍尔效应（AHE）的影响，在33 T下进行了霍尔效应测量，结果表明，退火样品的空穴迁移率大大提高，最大值为~1000 cm 2/Vs，这是由于拉伸应变引起的能带结构调制。Mn掺杂SiGe薄膜具有高居里温度、高铁磁性和高空穴迁移率，为半导体自旋电子学提供了一个很有前途的平台。
Ambient-Stable Transfer-Free Graphdiyne Wafers with Superhigh Hole Mobility at Room Temperature
Fundamental Science on Radiochemistry and Radiation Chemistry Laboratory, Beijing National Laboratory for Molecular Sciences, Center for Applied Physics and Technology, College of Chemistry and Molecular Engineering, Peking University（北京大学化学与分子工程学院，应用物理与技术中心，北京分子科学国家实验室，放射化学与辐射化学基础科学实验室）
Two-Dimensional Electron Gas with High Mobility Forming at BaO/SrTiO3 Interface
在两个绝缘氧化物之间的界面处形成的二维电子气（2DEG）为基础研究和器件应用提供了机会。二元碱土金属氧化物具有与硅和钙钛矿氧化物相容的晶格常数，表现出桥接这两种材料类别的多功能性的巨大潜力。在这里，我们报告的2DEG的形成在岩盐BaO和SrTiO 3之间的界面。最高电子迁移率在2 K时达到69000 cm ^2 V.S^-1，导致在高磁场下出现典型的Shubniko de Haas（SdH）振荡。在不同的场角的SdH振荡的存在揭示了准二维字符的费米面。第一性原理计算表明，在界面处从BaO到Ti 3dxy轨道的有效电荷转移是导致所观察到的高载流子迁移率的原因。我们的研究结果表明，BaO/STO异质界面是一个平台，探索相关的量子相，打开了一扇大门，低功耗和介观电子器件。
