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《利用带电的半导体量子点对零阈值光学增益》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2017-11-09

  • 胶体半导体量子点是实现可溶解性激光的有吸引力的材料。然而，它们作为光学增益介质的应用由于带边缘状态的非统一退化而变得复杂，因为需要多激子来达到激光的状态。这增加了激光的阈值，并导致非常短的光学增益寿命限制在非辐射螺旋。在这里，我们证明了这些问题至少可以通过使用非中性但带负电荷的量子点来得到部分解决。通过将光掺杂应用于经过特殊工程的量子点，从而使螺旋腐蚀衰减，我们证明了由于现有载波抑制了基态吸收而使光学增益阈值大大降低。此外，通过平均每点注入约1个电子，我们得到了超过两倍的还原自发辐射阈值，将其带入亚单激子能级。这些测量结果表明，通过两个电子完全阻断带边缘状态，可以实现“零阈值”的可行性。

    ——文章发布于2017年10月16日

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  • 《深度对比半导体照明三条主要技术路线》
    • 来源专题：集成电路
    • 编译者：tengfei
    • 发布时间：2016-03-15
    • 在LED的制备过程中，上游的衬底材料是决定LED颜色、亮度、寿命等性能指标的主要因素。衬底材料表面的粗糙度、热膨胀系数、热传导系数、极性的影响、表面的加工要求以及与外延材料间晶格间是否匹配，这些因素与高亮度LED的发光效率与稳定性密切相关。因此，衬底材料是半导体照明产业技术发展的基石，衬底材料的技术路线必然会影响整个产业的技术路线，是整个产业链的关键。目前半导体照明主要有三条技术路线，分别是以日本日亚化学为代表的蓝宝石衬底LED技术路线、以美国Cree为代表的碳化硅衬底LED技术路线，以及以中国晶能光电为代表的硅衬底LED技术路线。2016年1月8日，南昌大学联合晶能光电的江风益团队“硅衬底高光效GaN基蓝色发光二极管”技术项目获得2015年度国家科学技术奖技术发明类唯一的一等奖，LED业界中国芯的梦想再次被激发。硅衬底技术项目的获奖，说明硅衬底已被国家证实可行，并已提升到国家战略层面。硅衬底或将迎来规模化的商业应用。 GaN基LED三种主要衬底材料对比 LED各种衬底材料的市场占有率 蓝宝石（Al2O3）衬底 2014 年10 月7 日瑞典皇家科学院宣布：赤崎勇、天野浩和中村修二因发明“高效蓝色发光二极管”获得2014 年诺贝尔物理学奖。这3 位科学家的突出贡献在于，1993年他们突破了在蓝宝石衬底上制备高光效GaN 基蓝光LED 的核心技术。20多年来，基于蓝宝石衬底的GaN 基蓝光LED技术和产业发展迅猛，占据了衬底市场90%以上的市场份额，成为目前市场上的主流技术路线。 蓝宝石具有优异的光学性能、机械性能和化学稳定性，强度高、硬度大、耐冲刷。作为衬底材料，蓝宝石具有高温下（2000℃）化学性质稳定好、可见光不易吸收、价格便宜等优点。 蓝宝石衬底也有缺点，比如：第一，晶格失配和热应力失配会导致外延层中产生大量缺陷，同时给后续的器件加工工艺造成困难；第二，蓝宝石是绝缘体，电阻率很大，无法制成垂直结构的器件；第三，通常只在外延层上表面制作N型和P型电极，造成了有效发光面积减少，材料利用率降低；第四，蓝宝石的硬度非常高，仅次于金刚石，难以对它进行薄化和切割；第五，蓝宝石导热性能不是很好，因此在使用LED器件时，会传导出大量的热量，对面积较大的大功率器件，导热性能是一个非常重要的考虑因素。 目前蓝宝石衬底的技术发展比较成熟，不足方面虽然很多，但都被逐个克服，例如：过渡层生长技术克服了较大的晶格失配问题；采用同侧 P、N 电极克服了导电性能差的问题；不易切割的问题可以通过雷射划片机解决；由于热失配导致的对外延层的压力问题也可以得到解决。不过，江风益认为，蓝宝石衬底很难做到8 英寸至12 英寸等大尺寸外延，且因蓝宝石散热性能差，又难以剥离衬底，故在大功率LED 方面具有性能局限性。 蓝宝石衬底技术以日亚化学、丰田合成为代表。在蓝宝石晶体和晶片制备方面，国外主要集中在日本、美国、俄罗斯等国家，2010 年俄罗斯首次展出了200 mm 蓝宝石晶片。我国相对于国外存在较大差距，代表企业有元亮科技、同人电子、协鑫光电、重庆四联光电、中镓半导体、奥瑞德等。在外延方面，国内除了清华大学、北京大学、南昌大学、中国科学院半导体所等研究单位外，三安光电、华灿光电、上海北大蓝光、南昌欣磊光电、江西联创光电等企业在进行外延片的生产与研究。 蓝宝石材料目前生产能力过剩，低端市场竞争激烈。为延长LED产业链，应当高起点大力推进蓝宝石图形衬底发展。重点发展纳米级图形化蓝宝石衬底（PSS）、半球形和锥形图形衬底，以及激光诱导湿法刻蚀（LIBWE）、干法刻蚀等技术。同时，推动蓝宝石图形衬底相关的光刻和刻蚀以及相关检测设备、材料等发展。 碳化硅（SiC）衬底 SiC具有优良的热学、力学、化学和电学性质，不但是制作高温、高频、大功率电子器件的最佳材料之一，而且可以用作基于GaN的蓝色发光二极管的衬底材料，打破了蓝宝石一统天下的局面，尤其在路灯和室外照明领域具有巨大的市场潜力。在半导体领域最常用的SiC是4H-SiC 和6H-SiC 两种。 碳化硅与蓝宝石相比，在结构上，蓝宝石不是半导体而是绝缘体，它只能做单面电极；碳化硅是导电的半导体，它可以做垂直结构。碳化硅衬底的导热性能要比蓝宝石高10倍以上；蓝宝石本身是热的不良导体，并且在制造器件时底部需要使用银胶固晶，银胶的传热性能也很差。而使用碳化硅衬底的芯片电极为L型，两个电极分布在器件的表面和底部，所产生的热量可以通过电极直接导出；同时这种衬底不需要电流扩散层，因此光不会被电流扩散层的材料吸收，这样又提高了出光效率。 在碳化硅衬底领域，美国Cree几乎垄断了优质碳化硅衬底的全球供应，其次是德国SiCrystal、日本新日铁、昭和电工、东纤-道康宁。我国企业实力较弱，国内能生产和加工碳化硅衬底的企业或机构有北京天科合达、山东天岳、山东大学、中国科学院物理所、中国科学院上海硅酸盐所、中国电子科技集团46所等。2015年7月，山东天岳自主研制的一款4英寸高纯半绝缘碳化硅衬底产品面世。 用碳化硅做光电器件衬底主要挑战是成本仍相对较高、技术门槛较高和专利技术不足，面临着行业垄断者的专利威胁。不过LED市场有高中低端之分，碳化硅衬底LED定位在高端。大功率LED市场需求巨大，碳化硅材料性能优越，具有功率大、能耗低、发光效率高等显著优势，可以很好满足大功率LED需求。 硅（Si）衬底 硅片作为GaN 材料的衬底有许多优点，如晶体品质高，尺寸大，成本低，易加工，良好的导电性、导热性和热稳定性等。 由于单晶硅材料生长技术成熟度高，容易获得低成本、大尺寸（6-12 英寸）、高质量的衬底，可以大大降低LED 的造价。并且，由于硅单晶已经大规模应用于微电子领域，使用单晶硅衬底有望实现LED 芯片与集成电路的直接集成，有利于LED 器件的小型化发展。因此使用单晶硅作为LED 衬底一直是本行业梦寐以求的事情。此外，与蓝宝石相比，单晶硅在性能上还有一些优势：热导率高、导电性好，可制备垂直结构，更适合大功率LED 制备。 然而与蓝宝石和SiC 相比，在Si 衬底上生长GaN 更为困难，主要体现在：（1）两者之间的热失配和晶格失配更大；（2）Si 与GaN 的热膨胀系数差别也将导致GaN 膜出现龟裂；（3）晶格常数差会在GaN 外延层中造成高的位错密度；（4）Si 衬底LED 还可能因为Si 与GaN 之间有0.5 V 的异质势垒而使开启电压升高以及晶体完整性差造成p 型掺杂效率低，导致串联电阻增大；（5）Si 吸收可见光会降低LED 的外量子效率。 从1999年第一个GaN/Si LED出现，到2002 年商品化GaN/Si LED 就已经问世，但是由于性能与蓝宝石及碳化硅制备的LED相差很大而没有被广泛应用。2010 年德国Azzurro 公司授权GaN-on-Si 技术予德国Osram 公司。2013 年4 月日本东芝公司收购美国普瑞光电（Bridgelux） 的技术，并开始8 英寸GaN-on-Si 外延片生产。国内江西晶能光电公司早在2012 年就宣布批量生产HB-LED 芯片；江西晶瑞光电也已推出了类似性能的LED 产品。 晶能光电的硅衬底技术，具有完全自主的知识产权，形成了蓝宝石、碳化硅、硅衬底半导体照明技术路线三足鼎立的局面。中国LED产业只有打破国际巨头的技术、专利垄断，掌握核心技术，才能真正实现由“跟随”到“跨越”的转变。
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  • 《半导体激发的超导量子计算设备：使用来自半导体自旋量子比特的设计理念的超导量子计算的实现》
    • 来源专题：宽带移动通信
    • 编译者：gaof
    • 发布时间：2016-05-23
    • 综述： 据最新的一项报道，将来超导量子计算机的建设者或许可以从半导体器件中学到点一点东西，通过利用自然世界和半导体行业的好点子，研发人员或许能够大大简化由半导体构建的量子设备的操作。他们称这位‘半导体激发’的方法，并认为这能够为提高超导量子电路提供有用的指南。 根据最近一周自然通讯期刊的报道，将来超导量子计算机的建设者或许可以从半导体器件中学到点一点东西，通过利用自然世界和半导体行业的好点子，研发人员或许能够大大简化由半导体构建的量子设备的操作。他们称这位‘半导体激发’的方法，并认为这能够为提高超导量子电路提供有用的指南。 超导量子比特，或者称量子位是由超导器件（比如导线、电容或非线性电感）组成的电路，这种电路对于电流来说电阻为零。从零开始设计这些电路提供了极大的灵活性，向实现全面的量子计算机又走进了一步，另一方面，从半导体材料比如超高纯度硅中发现的量子比特为量子计算提供了很好的性能，比如较长的量子存储时间和更快的两个量子比特逻辑门。这些优点也有一定的限制，但是这些限制引起了半导体领域的创造性的解决方案。 物理科学实验室和马里兰大学帕克分校的Yun-Pil Shim和Charles Tahan也在探索来源于半导体量子的创意对设计超导量子计算机更好的方法是否有用，首先第一步，他们想要对最先进的超导量子比特应用新颖的控制方法，他们发现可以通过使用从半导体量子比特领域发展而来的解决方案，消除最昂贵的控制开销之一的微波源。值得注意的是，他们发现了一个更高效地超导量子比特的实现方法，使得比原始的半导体方法更容易实现。 “如果可以在人造超导电路上模拟半导体量子的属性，就可以两全其美，” Tahan说，“在海量参数中，有时候自然是最佳的指南。” 量子比特可以在许多不同的物理平台上实现，比如超导电路或电子自旋。自选是粒子的量子特性，物理学家通常认为粒子是小的磁体，可以指向外加磁场的方向，这导致了量子0和1的叠加态，这是量子比特的关键特征。在一些系统中，因为这些自旋量子比特不受常见的噪声源如电场的影响，所以能够鲁棒地携带量子信息。 自旋和超导量子比特以相似的方式控制，考虑到量子比特逻辑门，微波射线能够驱动两者的两个量子位之间的转换。但是半导体自旋量子比特也是不同的，他们通常与环境有着弱耦合，引起长的记忆时间但是缓慢的量子逻辑门。另外，自旋量子比特非常小，使得他们易受临近自旋的影响。 通过研发“全电气”的方案实现量子计算，可以解决以上两个问题，这种方法使用多个物理自旋代表一个量子比特，这种“经过编码”的量子比特操作由物理自旋之间的成对的相互作用完成。每一个量子比特编码至少需要三个自旋电子，需要大量的物理脉冲实现一个编码的逻辑门，很显然这对于量子计算来说代价太大了，特别是脉冲不是完美的时候。 Shim和Tahan表示编码的量子的方法比特甚至比超导量子比特更好。事实上，他们发现称为transmons或fluxmons的超导量子位可以单独调整，每个编码量子比特仅仅需要两个物理量子比特。更重要的是，编码逻辑门的时间和错误率并没有改变很多。举个例子来说，受控非门在半导体自旋中大概需要20对量子比特作用才能完成，Shim和Tahan表示相似的二量子比特门仅仅需要两个二量子比特脉冲就能实现，这意味着所有的量子比特逻辑门可以由快速的直流脉冲实现，而不需要依赖于微博激发的量子比特旋转。 文章的作者称他们的方案可以由目前的超导量子比特和控制方法实现，但是仍然存在一些开放性的问题，编码方案中，初始化量子比特可能是噪声，无处不在的“transmon”量子比特性能可能被新型的“fluxmon”或 “fluxonium”量子比特类型超过。 量子计算机必须保存外部干扰的量子比特一个计算进程的时间，尽管超导量子比特的质量发展很快（量子比特的生存期超过了100微秒，远远超过十年前的10纳秒），量子比特逻辑门错误率仍然受金属、绝缘体和整合这些设备的接口的损耗的限制。这些同样限制了提出的编码方案的性能，在这些基础设备问题上还有巨大的进步空间。 通往全面量子计算的道路上的一个关、关键目标是“容错”量子纠错的示范，在一个包含由许多物理量子比特的逻辑量子比特上重复纠错能够降低物理量子逻辑门的错误率。去除微波控制的需求和其他量子编码方案的优势，可以很容易地用超导量子比特实现逻辑量子比特，虽然作者相信这代表着进步，他们建议近距离关注自旋量子比特可以获得额外的发展进步
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