半导体超晶格的晶格振动

超晶格的晶格振动(声子)和电子态同样是超晶格物理的重要基础。但是,对前者的研究和认识远不及后者。加强超晶格的晶格振动研究显然是十分有意义的。 半导体超晶格国家重点实验室在过去几年中集中地进行了超晶格声子Raman散射和光学振动模的研究。在理论研究中发展了超晶格的Raman散射理论。对光学振动模进行了全面的研究,确立了新的认识。在这些研究中,光学振动模的研究可能是最具有自己特色的,并在这一领域中是最有影响的工作。在实验研究中。

从高质量半导体/超导体纳米线到马约拉纳零能模

作为马约拉纳费米子的“凝聚态版本”,马约拉纳零能模是当前凝聚态物理领域的研究热点.马约拉纳零能模满足非阿贝尔统计,可以构建受拓扑保护的量子比特.这种由空间上分离的马约拉纳零能模构建的拓扑量子比特不易受局域噪声的干扰,具有长的退相干时间,在容错量子计算中具有重要的应用前景.半导体/超导体纳米线是研究马约拉纳零能模和拓扑量子计算的理想实验平台.本文综述了高质量半导体纳米线外延生长、半导体/超导体异质结制备以及相应的马约拉纳零能模研究方面的进展,并对半导体/超导体纳米线在量子计算中的应用前景进行了展望.

低维半导体材料在非线性光学领域的研究进展

自从第一台红宝石激光器发明以来,研究人员将目光集中到激光这种普通光源达不到的强光上,由此发现了非线性光学材料以及一系列丰富多彩的相关特性——饱和吸收、反饱和吸收和非线性折射等,并将其运用到光电子器件、光开关器件和光通信当中.同时,随着工业生产对于器件集成度需求的提升,以普通三维材料为基础的器件已经难以达到应用要求,低维半导体器件的兴起将有望解决这个问题.所以,将非线性光学与低维半导体材料相结合是未来发展的重要趋势,量子点、量子线激光器和放大器的涌现也印证了这一点.本文通过对准零维量子点材料、准一维纳米线材料和二维纳米材料非线性光学前沿工作进行总结,为今后的研究提供参考.但是,低维材料由于稳定性、填充比例较低等问题,还需要进一步的研究以满足实用需求.

半导体自组织量子点量子发光机理与器件

介绍了自组织量子点单光子发光机理及器件研究进展.主要内容包括:半导体液滴自催化外延GaAs纳米线中InAs量子点和GaAs量子点的单光子发光效应、自组织InAs/GaAs量子点与分布布拉格平面微腔耦合结构的单光子发光效应和器件制备,单量子点发光的共振荧光测量方法、量子点单光子参量下转换实现的纠缠光子发射、单光子的量子存储效应以及量子点单光子发光的光纤耦合输出芯片制备等.

Ⅲ-Ⅴ族硼基化合物半导体反常热导率机理

采用基于玻尔兹曼输运方程的第一性原理计算方法深入研究了硼基Ⅲ-Ⅴ化合物的热导率性质,与Ⅳ族和Ⅲ-Ⅴ族半导体进行对比,发现砷化硼的高热导率主要来源于硼基Ⅲ-Ⅴ化合物中声学支和光学支之间存在一个很大的频率带隙,导致两个声学声子的能量要小于一个光学声子的能量,无法满足三声子散射的能量守恒要求,严重遏制了三声子散射几率.金刚石的高热导率主要来自其拥有极大的声学声子群速度.磷化硼虽然也拥有较大的声学声子群速度,但是其频率带隙比较小,无法有效遏制三声子散射,所以磷化硼的热导率小于砷化硼;尽管锑化硼的频率带隙与砷化硼相当,但是由于其拥有较小的声学声子群速度和较大的耦合矩阵元,导致锑化硼的热导率低于砷化硼.该研究为设计高热导率半导体材料提供了新的认识.

我国半导体超晶格科学的进展

半导体超晶格是当代固体物理学的新生长点和重要前沿领域。它是以具有各种人工剪裁能带结构的半导体低维电子系统(二维、一维和零维)为其主要研究对象,涉及半导体物理、材料和器件的综合性研究领域。“半导体超晶格微结构”的研究属国家自然科学基金委员会重大基金项目,它以探索、开发新一代固态电子、光电子器件作为研究工作的着眼点;以生长超薄、陡变和大面积均匀的超晶格、多层异质结等低维量子结构的分子束外延(MBE)和金属有机化合物气相淀积(MOCVD)等超薄层材料生长手段为技术基础;着重开展半导体超晶格低维系统与普通三维固体不同的新物理现象和效应及其潜在的应用前景方面的基础研究;研究和探索新一代超晶格量子器件的新原理、新模式和新结构。本项目的总体设想是要在全国范围内组织起具有国内第一流水平,国际先进水平的,对半导体超晶格量子阱材料、物理和器件进行综合性基础研究的科研实体;经过“七五”和“八五”期间的工作,应当将我国在该领域内的基础研究整体水平推进到国际先进行列,并且在某些专题研究方面应当做出具有特色的,国际领先的研究成果。

超宽禁带二维半导体材料与器件研究进展

超宽禁带二维半导体作为二维材料研究领域的前沿之一,在紧跟第三、四代半导体朝着大带隙、大功率方向发展的同时,也为集成电路往小体积、高集成度方向的探索提供了思路.根据晶体堆积是否为范德华层状结构,超宽禁带二维半导体在材料层面的研究内容一方面是将已有的或成熟的非层状材料通过各种限制手段将第三维度压制在纳米量级,另一方面则是探索新型的范德华层状材料通过生长或剥离的方式得到其单层或少层结构.从器件层面看,超宽禁带二维半导体无论是以独立形式还是两两组合叠成异质结,形成的器件大多都以探测紫外波段的电磁辐射为目的,进一步可以做成包括成像系统、数字通讯等在内的光学传感器.若是辅助以柔性衬底,那么二维材料将发挥天然的可弯折优势,被广泛应用到柔性场效应晶体管、柔性紫外探测器、显示器等可穿戴电子器件中.而当材料有对外界刺激(如光照)表现出“记忆”特性时,说明可以将材料用于类神经突触传感或神经网络学习.此外,超宽禁带二维半导体中具有超大带隙的部分材料是极具潜力的电介质,它们往往拥有远比氧化硅大的介电常数与击穿电压,在减薄器件体积的同时也优化了器件的性能.最后,少数超宽禁带二维半导体是许多材料制备过程中的衬底,它们的简单易得和原子级洁净的表面为各种新材料的诞生提供了温床,是二维材料领域的重要基石.

主族层状低维半导体的偏振光探测器

偏振探测在成像、遥感和生物检测等领域具有非常广泛的应用.为了契合光电领域高度集成化的发展目标,偏振光探测器的器件结构需要跳出复杂的检偏器与探测器分离式结构模型,开发新型探测路线.对偏振光天然敏感的主族层状低维半导体可实现直接偏振光探测,实现探测结构的简化.基于Ⅳ族锗系和锡系的低对称性层状半导体在短波近红外具有较高的光响应以及偏振灵敏度,并且基于二维GeSe的偏振光探测器已经实现对近红外实物的二维式扫描偏振成像.基于Ⅴ族锑系和铋系的层状半导体在可见光波段具有较宽的光谱响应以及低的探测噪声,也已实现偏振成像.基于该两类主族层状低维半导体的偏振成像为未来偏振图像传感技术提供了一种简洁可行的思路.

是否可能制造出室温下的磁性半导体?

针对Science创刊125周年之际公布的125个最具挑战性的科学问题之一"是否可能制造出室温下的磁性半导体?"进行了解读.主要从传统电子学面临的严峻挑战出发,介绍了磁性半导体的基本概念、与普通半导体的区别以及在信息技术中可能发挥的重要作用.本文以磁性元素掺杂的Zn O和Ga N为例介绍了实验中观察到的室温铁磁性的可能机制,并重点介绍了近年来关于典型磁性半导体(Ga,Mn)As的研究进展.最后针对室温下的磁性半导体研究进行了总结及展望.

转角多层石墨烯层间耦合的共振拉曼光谱研究

我们通过共振拉曼光谱测量了转角多层石墨烯的层间振动模式:剪切模和呼吸模。根据改进的线性模型,我们发现在转角多层石墨烯界面处的层间呼吸耦合与正常Bernal堆垛多层石墨烯的强度相当。此结果明显不同于层间剪切耦合,后者在转角多层石墨烯界面处的层间剪切耦合减弱到了正常Bernal堆垛多层石墨烯的20%。另外,我们首次发现层间呼吸耦合存在着次近邻原子层之间的相互作用,其强度为最近邻的9%。我们发现当采用与界面层间旋转角度相对应的激发光时,转角多层石墨烯的拉曼信号得到极大的增强。为此,我们引入光学跃迁允许的电子联合态密度的概念,通过理论计算,我们发现这种联合态密度的极大值决定了拉曼信号共振线型的激发光能量极值。本研究表明,层间振动模式是探测二维层状异质层间耦合的有效手段,为其在器件应用方面的研究奠定了基础。

1.3微米发光自组织InAs/GaAs量子点的电致发光研究

用优化的MBE参数生长了 1.3μm发光的InAs/GaAs量子点材料 ,并制成发光二极管 ,对不同温度和有源区长度下样品的电致发光谱进行了细致的研究。观察到两个明显的电致发光峰 ,分别对应于量子点基态和激发态的辐射复合发光。实验表明 ,由于能态填充效应的影响 ,适当增大量子点发光器件有源区长度 ,更有利于获得基态的光发射。这个结果提供了一种控制和调节InAs/GaAs量子点发光二极管和激光器的工作波长的方法。

基于二维材料异质结的光探测器研究进展

二维材料异质结因其特有的层状结构和优异的光响应性质,被认为具有应用于新一代光探测器件的潜力。二维材料家族具有丰富的种类,因其能带带隙范围分布广,光电响应可覆盖从紫外到红外的波谱范围。另外二维材料层间通过范德瓦尔斯力相结合,因此理论上可以利用不同二维材料层间的范德瓦尔斯力相互作用制备出多种性能优异的二维材料异质结。近年来有多种二维材料异质结通过机械堆叠法及CVD生长法被制备出来,且二维材料异质结光探测器在可见光至远红外波段表现出优异的性质。在这样的研究背景之下,本文从二维材料异质结的制备、器件制备与器件性能等几个方面综述了近年来二维材料异质结光探测器的研究进展。

超快光脉冲照射GaAs晶体产生的干涉环

用飞秒脉冲激光照射砷化镓(gallium arsenide,GaAs)晶体,透射光出现了多级的干涉环.利用透射式Z-扫描光路,改变飞秒脉冲激光入射到GaAs晶体表面时的功率密度,观察到干涉环有规律地收缩(或扩张):功率密度越大,出现的干涉环越多,张角也越大.高强度飞秒脉冲激光的非线性效应局部地改变了GaAs晶体的折射率,从而导致光程差的出现,这是一种非线性效应(克尔透镜).超快光脉冲在GaAs晶体里产生的克尔透镜不能像理想的薄透镜那样把光束聚焦,而是让透镜光束形成了干涉环.通过分析干涉环的变化,可以得到GaAs晶体的非线性吸收系数和非线性折射率.

多层In_(0.55)Al_(0.45)As/A_(0.5)Ga_(0.5)As量子点的变温光致发光研究

测量了自组织多层In0.55Al0.45As/Al0.5Ga0.5As量子点的变温光致发光谱,同时观察到来自浸润层和量子点的发光,首次直接观察到了浸润层和量子点之间的载流子热转移.分析发光强度随温度的变化发现浸润层发光的热淬灭包括两个过程:低温时浸润层的激子从局域态热激发到扩展态,然后被量子点俘获;而温度较高时则通过势垒层的X能谷淬灭.利用速率方程模拟了激子在浸润层和量子点间的转移过程。

角分辨布里渊光散射对材料的弹性和热学性能研究的综述

材料的弹性和热学性能对于材料基本性质研究、器件的结构设计以及性能优化等具有重要的参考价值。本文综述了角分辨布里渊光散射的基本原理以及如何利用角分辨布里渊光散射光谱技术获得材料的弹性常数、德拜温度和晶格热导率等物理量,并介绍了该技术在研究块体、薄膜和二维材料的弹性和热学性能以及相关物理现象如声子瓶颈效应、尺寸效应等中的应用。角分辨布里渊光散射光谱技术的应用有助于深入了解如何通过改变材料的厚度、温度、应力等外部工程对材料的弹性和热学性能进行调控,同时也为研究二维材料和声子晶体等的弹性和热学性能提供了一种新的途径。

用BiSePt合金提高自旋轨道转矩效率

自旋轨道转矩器件实现快速高效的磁性操作,需要提供自旋流的强自旋轨道耦合层具有高的电荷-自旋密度转换效率,以及低的电阻率.本文采用磁控溅射方法生长具有面内磁性的BiSePt合金/Co异质结构,对比BiSePt合金采用共溅射及交替溅射两种生长方式,研究了不同配比下的自旋轨道转矩效率(SOT效率)与合金电阻率.Pt掺杂提高了合金层的金属性,但是逐渐破坏Bi_(2)Se_(3)非晶表面的拓扑序,随着Pt组分的增加,两种竞争的机制使得合金层的自旋霍尔电导率随浓度配比有非单调变化,并且在Bi_(2)Se_(3)组分为67%的配比处达到了优值.相比共溅射方式,交替溅射方式生长合金层的电导率及自旋霍尔角较小,这归因于界面散射的增强及Pt对自旋流的过滤效应.相比于传统的纯重金属Pt和Ta等,以及拓扑绝缘体Bi_(2)Se_(3)等材料,我们的BiSePt合金实现了与工业匹配的生长条件,较高的SOT效率,以及适中的电阻率,对于SOT器件的实际应用很有意义.

面向边缘的脉冲神经网络片上学习算法

脉冲神经网络受大脑启发,通过模拟神经元的离散脉冲方式表达、传递并处理信息。全脉冲化的计算与数据流使神经形态硬件具有高能效的特点,因此更适用于供电受限的边缘设备。现有边缘神经网络处理器主要依赖于离线训练,即在片外或云端训练,导致了高延迟、高带宽和隐私泄漏的问题。特别地,离线训练难以实时学习并适应端侧变化的场景。相比之下,片上学习可以使边缘设备在本地完成实时学习和推理任务。然而,典型的脉冲神经网络学习算法需要复杂的计算和大量的存储,与边缘设备受限的算力、存储和功耗产生了矛盾。为了在边缘设备上实现脉冲神经网络片上学习,目前已有大量研究聚焦于如何改进或设计出适用于边缘的脉冲神经网络片上学习算法。本文围绕边缘型脉冲神经网络片上学习方法,从无监督和监督学习两个类别进行展开,详细介绍了生物启发的片上学习算法,如STDP和SDSP,以及基于梯度下降的片上学习算法,如Improved STBP等,并对脉冲神经网络片上学习处理器进行了简要介绍。最后总结了脉冲神经网络片上学习存在的问题和挑战。

纳米二氧化钒薄膜的制备及红外光学性能

采用双离子束溅射方法在Si3N4/SiO2/Si基底表面沉积氧化钒薄膜,在氮气气氛下热处理获得二氧化钒薄膜.利用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和X射线光电子能谱(XPS)研究了热处理温度对氧化钒薄膜晶体结构、表面形貌和组分的影响,利用傅里叶变换红外光谱(FT-IR)对二氧化钒薄膜的红外透射性能进行了测试分析.结果表明,所制备的氧化钒薄膜以非晶态V2O5和四方金红石结构VO2为主,经400℃、2h热处理后获得了(011)择优取向的单斜金红石结构纳米VO2薄膜,提高热处理温度至450℃,纳米结构VO2薄膜的晶粒尺寸减小.FT-IR结果显示,纳米VO2薄膜透射率对比因子超过0.99,高温关闭状态下透射率接近0.小晶粒尺寸纳米VO2薄膜更适合在热光开关器件领域应用.

纳米二氧化钒薄膜的电学与光学相变特性

采用双离子束溅射氧化钒薄膜附加热处理的方式制备了纳米二氧化钒薄膜。在热驱动方式下,分别利用四探针测试技术和傅里叶变换红外光谱技术对纳米二氧化钒薄膜的电学与光学半导体-金属相变特性进行了测试与分析。实验结果表明,电学相变特性与光学相变特性之间存在明显的偏差,电学相变温度为63℃,高于光学相变温度,60℃;电学相变持续的温度宽度较光学相变持续温度宽度宽;在红外光波段,随着波长的增加,纳米二氧化钒薄膜的光学相变温度逐渐增大,由半导体相向金属相转变的初始温度逐渐升高,相变持续的温度宽度变窄。在红外光波段,纳米二氧化钒薄膜的光学相变特性可以通过光波波长进行调控,电学相变特性更适合表征纳米VO2薄膜的半导体-金属相变特性。

Be掺杂InAs自组织量子点的发光特性

首次细致地研究了 In As量子点中直接掺杂 Be对其发光特性的影响。光致发光 ( PL)谱的研究表明 ,较低掺杂浓度时 ,发光峰蓝移 ,同时伴随着发光谱线变窄。而较高浓度的掺杂会对量子点的光谱特性产生不良的影响 ,发光强度明显变弱。相信该研究对 In As自组织量子点在器件应用方面有很重要的意义。