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科学通报 2023年第14期68卷 1753-1761页

作者：邓惠雄魏苏淮李树深中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室北京100083 中国科学院大学材料科学与光电工程中心北京100049 北京计算科学研究中心北京100193

随着电子信息技术进入后摩尔时代,人们期望探寻一些新材料、新技术以推进半导体科学技术的发展.作为新一代战略电子材料,宽禁带半导体的技术应用近年来取得了飞速发展.宽禁带半导体的掺杂与缺陷调控是实现其重要应用价值的关键科学基础... 详细信息

随着电子信息技术进入后摩尔时代,人们期望探寻一些新材料、新技术以推进半导体科学技术的发展.作为新一代战略电子材料,宽禁带半导体的技术应用近年来取得了飞速发展.宽禁带半导体的掺杂与缺陷调控是实现其重要应用价值的关键科学基础.本文主要介绍了我们和合作者近期围绕碳化物、氧化物、氮化物宽禁带半导体中掺杂与缺陷机理及性能调控展开的研究工作,具体包括:(1)探究4H-SiC中本征缺陷的电学和动力学性质,解释了实验上4H-SiC的有效氢钝化现象的内在物理机制;(2)研究In_(2)O_(3)中过渡金属元素的掺杂物理性质,提出了过渡金属掺杂的设计原则,并预测过渡金属Zr、Hf和Ta在In_(2)O_(3)中具有优异的n型特性;(3)采用轻合金化法调控Ga_(2)O_(3)材料的价带顶位置,并通过选取合适的受主杂质(如CuGa),有望使(Bi_(x)Ga_(1–x))_(2)O_(3)合金成为高效的p型掺杂宽禁带半导体;(4)研究Be和Mg在GaN中的缺陷行为,澄清Be掺杂比Mg掺杂具有更深受主能级的物理机制;(5)提出量子工程非平衡掺杂方法来调制AlGaN的价带,实现其高效p型掺杂;(6)探究缺陷掺杂行为随应力变化的普适性规律,并阐述如何通过压力调控在GaN中实现更高性能的p型掺杂.这些工作不仅加深了对宽禁带半导体材料的电子结构及掺杂与缺陷物理特性的理解,也对基于宽禁带半导体材料的器件设计与实际应用起到重要的指导和推进作用.

关键词：宽禁带半导体第一性原理计算缺陷掺杂机制非平衡过程

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金纳米颗粒调控量子点激子自发辐射速率

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物理学报 2022年第6期71卷 336-342页

作者：李元和卓志瑶王健黄君辉李叔伦倪海桥牛智川窦秀明孙宝权中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室北京100083 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049

将InAs/GaAs量子点样品薄膜置于覆盖有直径为50 nm的金(Au)纳米颗粒的硅衬底上,可以调控量子点激子的自发辐射速率.实验发现,当量子点浸润层距离Au纳米颗粒表面15-35 nm时,激子自发辐射速率受到抑制,且距离为19 nm时抑制作用最大,导致... 详细信息

将InAs/GaAs量子点样品薄膜置于覆盖有直径为50 nm的金(Au)纳米颗粒的硅衬底上,可以调控量子点激子的自发辐射速率.实验发现,当量子点浸润层距离Au纳米颗粒表面15-35 nm时,激子自发辐射速率受到抑制,且距离为19 nm时抑制作用最大,导致量子点激子的自发辐射速率减小到没有Au纳米颗粒时自发辐射速率的10^(-3).基于经典的偶极辐射模型模拟计算的激子自发辐射速率与实验结果一致.

关键词：量子点自发辐射速率金属纳米颗粒长寿命激子

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静水压力调谐Ag纳米颗粒散射场下量子点激子寿命

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物理学报 2022年第24期71卷 350-357页

作者：黄君辉李元和王健李叔伦倪海桥牛智川窦秀明孙宝权中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室北京100083 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049

将InAs/GaAs量子点薄膜样品转移到Ag纳米颗粒覆盖的Si衬底上,然后将样品放到金刚石对顶砧压力腔室内.在1.09—1.98 GPa的压力范围内,测量了量子点激子的荧光光谱和时间分辨光谱.实验结果显示,随着静水压力的增大,激子的发光波长蓝移,激... 详细信息

将InAs/GaAs量子点薄膜样品转移到Ag纳米颗粒覆盖的Si衬底上,然后将样品放到金刚石对顶砧压力腔室内.在1.09—1.98 GPa的压力范围内,测量了量子点激子的荧光光谱和时间分辨光谱.实验结果显示,随着静水压力的增大,激子的发光波长蓝移,激子的发光寿命从(41±3)×10 ns延长到(120±4)×10 ns,再减短到(7.6±0.2)ns,在激子发光波长为797.49nm时,寿命达到最长的(120±4)×10 ns.相比没有Ag纳米颗粒影响的InAs/GaAs量子点中的激子寿命约1ns,激子的寿命延长了约1200倍.其物理机制为量子点浸润层中激子的辐射场和Ag纳米颗粒的散射场之间发生相消干涉,抑制了浸润层中激子的自发辐射,这些长寿命的浸润层激子将扩散到量子点中,并辐射复合发光,从而观察到量子点激子的长寿命衰变曲线.这一实验结果与基于在散射场下的偶极子辐射模型计算结果一致.

关键词： InAs/GaAs量子点自发辐射速率 Ag纳米颗粒长寿命激子静水压力

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高质量半导体-超导体纳米线原位分子束外延和低温量子输运研究进展

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真空科学与技术学报 2023年第3期43卷 177-190页

作者：潘东赵建华中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室北京100083 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049

局域环境和量子比特之间的相互作用引起的量子退相干是目前限制量子计算发展的主要技术瓶颈。基于马约拉纳零能模的拓扑量子计算通过将量子信息非局域地存储于两个空间分离的马约拉纳零能模及其拓扑结构中,实现对局域噪音的免疫,有望从... 详细信息

局域环境和量子比特之间的相互作用引起的量子退相干是目前限制量子计算发展的主要技术瓶颈。基于马约拉纳零能模的拓扑量子计算通过将量子信息非局域地存储于两个空间分离的马约拉纳零能模及其拓扑结构中,实现对局域噪音的免疫,有望从物理层面解决量子退相干问题。强自旋轨道耦合窄禁带半导体与超导体构成的异质结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。本文综述了近年来高质量半导体-超导体纳米线的原位分子束外延制备和低温量子输运研究进展,并对半导体-超导体纳米线拓扑量子计算研究进行了展望。

关键词：半导体-超导体纳米线分子束外延马约拉纳零能模拓扑量子计算

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面向SPAD图像传感器的超高速目标定位处理器

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光子学报 2022年第11期51卷 285-295页

作者：姚春赫杨旭赵明心刘剑吴南健刘力源中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室北京100083 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049 中国科学院脑科学与智能技术卓越创新中心北京100083

提出了一种用于单光子雪崩二极管图像传感器的超高速目标定位处理器。它由一个处理阵列,一个Y特征向量生成器和一个位置计算器组成,能够进行噪声减除和目标定位处理。设计了一种省略了乘法和减法运算的高斯滤波和背景减除法,降低了计算... 详细信息

提出了一种用于单光子雪崩二极管图像传感器的超高速目标定位处理器。它由一个处理阵列,一个Y特征向量生成器和一个位置计算器组成,能够进行噪声减除和目标定位处理。设计了一种省略了乘法和减法运算的高斯滤波和背景减除法,降低了计算复杂度和硬件资源消耗,并显著地提高了处理速度。整个处理器在FPGA开发板上实现,实验结果表明,该处理器能够以100 000帧/s的速度实时处理128×128分辨率的脉冲图像,并定位其中的运动物体。本文提出的处理器架构同样可用于其他脉冲图像传感器。

关键词：目标定位现场可编程单光子雪崩二极管背景减除高斯滤波

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深空探测自主运行的一种可信性技术体系

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空间科学学报 2024年第2期44卷 228-240页

作者：党炜骆军委郑作环敖亮李博李鹏熊盛阳许鹏程宋恒旭胡剑桥冯业为中国科学院空间应用工程与技术中心北京100094 中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室北京100083 中国科学院数学与系统科学研究院应用数学研究所北京100190 中国科学院微电子研究所北京100029 中国运载火箭技术研究院北京100076 中国科学院力学研究所非线性力学国家重点实验室北京100190 中国科学院空间科学与应用总体部北京100094 中国科学院可靠性保障中心北京100094 中国科学院大学北京100049

未认知与不确定性是深空探测任务的基本特征.本文基于战略导向的体系化基础研究,建立了一种面向科学价值最大化的探测场景和以可靠性为核心技术基础的深空探测自主运行可信性技术体系.分析研究了深空探测场景下的可靠性概念;面向精确感... 详细信息

未认知与不确定性是深空探测任务的基本特征.本文基于战略导向的体系化基础研究,建立了一种面向科学价值最大化的探测场景和以可靠性为核心技术基础的深空探测自主运行可信性技术体系.分析研究了深空探测场景下的可靠性概念;面向精确感知、最优计算、准确决策、快精准执行的目标要素,提出了深空探测自主运行的可信性体系框架以及“需求-认知-工程”总体技术架构;针对自主运行可信性的关键技术难点,开展了可靠性导向的多物理场、强耦合白盒建模,复杂网络故障传播机制分析,COTS元器件深空探测应用的高可靠保证,以及“模型+数据+知识”一体的融合机制分析等研究.对该技术体系的关键技术验证策略及其最小系统在卫星星座中的应用进行了验证,结果表明,所提出的技术体系具有较高的工程价值.

关键词：深空探测自主运行可靠性可信性多物理场复杂网络

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一种高精度快速激光修调方案设计

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半导体技术 2024年第2期49卷 171-177页

作者：贾晨强李文昌阮为刘剑张天一中国科学院半导体研究所固态光电信息技术实验室北京100083 中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室北京100083 中国科学院大学集成电路学院北京100049 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

在激光修调过程中,激光的修调路径和控制策略是影响修调精度和修调速度的关键因素,而常规激光修调方案难以同时满足高精度和快速修调。因此,提出了一种高精度快速激光修调方案,使用“离散+连续”结构的金属薄膜电阻图形提高修调效率和... 详细信息

在激光修调过程中,激光的修调路径和控制策略是影响修调精度和修调速度的关键因素,而常规激光修调方案难以同时满足高精度和快速修调。因此,提出了一种高精度快速激光修调方案,使用“离散+连续”结构的金属薄膜电阻图形提高修调效率和可靠性;利用阶梯形的激光修调路径提升修调精度;采用动态测试步长的控制策略提高修调速度。采用上述方案对60个金属薄膜电阻样品进行激光修调,结果表明:修调精度可达0.004%,平均测试步长为2.53,验证了所提出的修调方案可有效提升修调精度和修调速度。进一步将该方案应用在200个温度传感器芯片的校准中,结果表明200个温度传感器芯片的测温误差均校准至±0.2℃以内,平均测试步长为6.29。

关键词：激光修调修调精度修调速度金属薄膜电阻阶梯形修调路径动态测试步长

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智能视觉芯片

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科学通报 2023年第35期68卷 4844-4861页

作者：刘力源冯鹏杨旭于双铭窦润江刘剑吴南健中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室北京100083 中国科学院大学电子电气与通信工程学院北京100049 中国科学院大学材料科学与光电技术学院北京100049

智能视觉芯片(视觉芯片)是一种集成视觉传感器、高能效处理器、存储器的片上系统芯片,在自动驾驶、安防监控、机器人视觉等领域都具有广泛的应用价值.硅基CMOS工艺上既可以实现大规模的视觉传感器,也可制备大规模存储器和处理器,所以基... 详细信息

智能视觉芯片(视觉芯片)是一种集成视觉传感器、高能效处理器、存储器的片上系统芯片,在自动驾驶、安防监控、机器人视觉等领域都具有广泛的应用价值.硅基CMOS工艺上既可以实现大规模的视觉传感器,也可制备大规模存储器和处理器,所以基于硅基CMOS工艺,人们可以借助光电子、微电子混合集成技术实现感存算一体化融合的视觉芯片,以克服传统视觉系统中图像串行传输和处理的瓶颈,有效降低处理延迟并提高智能化水平.构建视觉芯片需要突破高性能视觉图像传感器设计、高能效视觉图像处理器设计、视觉处理算法以及传感器/存储器/处理器一体化集成等多方面的关键问题.本文首先介绍视觉芯片的概念和架构,然后分别介绍视觉芯片各项关键技术的发展现状,最后简述视觉芯片的未来发展方向.

关键词：视觉芯片 CMOS图像传感器图像处理器边缘计算感存算一体化

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基于机器学习和第一性原理计算的Janus材料预测

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物理学报 2024年第23期73卷 18-27页

作者：张桥谭薇宁勇祺聂国政蔡孟秋王俊年朱慧平赵宇清湖南科技大学物理与电子科学学院智能传感器与新型传感器材料湖南省重点实验室湘潭411201 湖南大学物理与微电子科学学院长沙410082 中国科学院微电子研究所硅器件中心重点实验室北京100029 中国科学院半导体研究所超晶格国家重点实验室北京100083

寻找尺寸小、稳定性高和易操控的纳米磁结构——磁斯格明子(magnetic skyrmion),是发展下一代高密度、高速度和低能耗非易失性信息存储器件核心存储单元的关键.磁性斯格明子根据其拓扑产生机制,可以由非中心对称结构诱导的DMI(Dzyaloshi... 详细信息

寻找尺寸小、稳定性高和易操控的纳米磁结构——磁斯格明子(magnetic skyrmion),是发展下一代高密度、高速度和低能耗非易失性信息存储器件核心存储单元的关键.磁性斯格明子根据其拓扑产生机制,可以由非中心对称结构诱导的DMI(Dzyaloshinskii–Moriya interaction)作用项产生.二维Janus结构具有两个不同面的原子层,可以形成垂直内建电场,打破中心空间反演对称性.因此寻找具有本征磁性的二维Janus材料是研究新型磁存储的基础.本文基于晶体材料数据库Materials Project中的1179种六角晶系ABC型Janus材料数据,以其元素组分信息为特征描述符,构建了随机森林、梯度提升决策树、极端梯度提升和极端随机树等四种机器学习模型,基于上述模型对晶格常数、形成能和磁矩分类进行了预测,并采用十折交叉验证法对模型进行了评估.梯度提升决策树在磁矩分类预测显示出最高的精度和泛化能力.最后,基于上述模型对尚未发现的82018种二维Janus材料进行了预测,筛选得到4024种具有热稳定性的高磁矩结构,并基于第一性原理的方法对其中随机抽样的13种高磁矩结构进行了计算验证.本研究为二维Janus材料磁矩分类和高通量筛选训练了有效的机器学习模型,加速了二维Janus结构磁性的探索.本文数据集可在https://***/10.57760/sciencedb.j00213.00072中访问获取.

关键词：机器学习二维Janus材料磁矩第一性原理计算

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二维Janus原子晶体的电子性质

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物理学报 2021年第2期70卷 104-120页

作者：王盼宗易昕文宏玉夏建白魏钟鸣中国科学院半导体研究所半导体超晶格国家重点实验室北京100083 中国科学院大学材料与光电研究中心北京100049

自从石墨烯问世以来,具有各种新奇特性的二维材料在光电设备、自旋电子器件和谷电子器件等领域受到越来越多的关注.其中,使用各种分子基团对石墨烯进行不对称官能化时出现的优异性质,引发了人们对其他具有不对称表面特性的Janus二维材... 详细信息

自从石墨烯问世以来,具有各种新奇特性的二维材料在光电设备、自旋电子器件和谷电子器件等领域受到越来越多的关注.其中,使用各种分子基团对石墨烯进行不对称官能化时出现的优异性质,引发了人们对其他具有不对称表面特性的Janus二维材料的研究.作为二维材料的重要衍生物,Janus二维材料(尤其是Janus过渡金属硫化物)已成为近年来的研究热点.实验和理论上均已证实这类材料由于具有镜面不对称性而拥有新颖的特性,例如强的Rashba效应和平面外压电极化,为其在传感器、制动器和其他机电设备中的应用提供了广阔的前景.本文综述了新兴的Janus二维材料(包括Janus石墨烯,各种Janus二维材料以及Janus二维范德瓦耳斯异质结)的最新研究进展,总结了Janus二维材料独特的电子性质和潜在的应用.最后,给出了对Janus二维材料进行下一步探索的结论和展望.

关键词： Janus原子晶体电子性质 Rashba效应压电效应

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