1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 发光及应用国家重点实验室, 长春 130033
2 中国科学院大学, 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
3 吉林财经大学管理科学与信息工程学院, 长春 130117
二维(2D)石墨烯具有原子层厚度, 在电子器件中展示出突破摩尔定律限制的巨大潜力。目前, 化学气相沉积(CVD)是一种广泛应用于石墨烯生长的方法, 满足低成本、大面积生产和易于控制层数的需求。然而, 由于催化金属(例如Cu)衬底一般为多晶特性, 导致CVD法生长的石墨烯晶体质量相对较差。为此, 通过高温退火工艺制备了Cu (111)单晶衬底, 使石墨烯的初始成核过程得到了很好的控制, 从而实现了厘米尺寸的高质量单晶石墨烯的制备。根据二者的晶格匹配关系, Cu (111)衬底为石墨烯生长提供了唯一的成核取向, 相邻石墨烯成核岛的边界能够缝合到一起。单晶石墨烯具有高电导率, 相较于原始多晶Cu上生长的石墨烯(1 415.7 Ω·sq-1), 其平均薄层电阻低至607.5 Ω·sq-1。高温退火能够清洁铜箔, 从而获得表面粗糙度较低的洁净石墨烯。将石墨烯用于场效应晶体管(FET), 器件的最大开关比为145.5, 载流子迁移率为2.31×103 cm2·V-1·s-1。基于以上结果, 相信本工作中的单晶石墨烯还满足其他高性能电子器件的制备。
石墨烯 高温退火 化学气相沉积 场效应晶体管 Cu (111) Cu (111) graphene high-temperature annealing chemical vapor deposition field-effect transistor
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 发光学及应用国家重点实验室, 长春 130033
2 中国科学院大学, 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
本文在具有0.2°至1.0°斜切角的c面蓝宝石衬底上通过金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)生长了台阶聚束表面形貌AlN外延层, 并系统研究了高温退火过程中其表面形貌演化规律, 且基于第一性原理计算揭示了表面形貌演化背后的物理机制。研究发现, 随退火温度逐步升高, AlN外延层台阶边缘首先出现具有六方结构特征的热刻蚀凹坑, 随后在台面上形成边缘规则的多边形凹坑, 其主要原因是AlN表面台阶边缘处Al-N原子对脱附能量(10.72 eV)小于台面处Al-N原子对脱附能量(12.12 eV)。此外, 由于台阶宽度随斜切角增大而变窄, 台面处凹坑在扩张过程中易与台阶边缘处凹坑发生合并形成V形边缘, 斜切角越大台面上凹坑数量越少。本文阐明了不同斜切角蓝宝石衬底上生长的AlN在高温热退火过程中台阶聚束形貌演变机制, 为面内组分调制的AlGaN基高效深紫外LED提供基础。
氮化铝 表面形貌 高温热退火 台阶聚束 斜切衬底 热刻蚀 AlN surface morphology high-temperature anneal step bunching miscut substrate thermal etch
Author Affiliations
Abstract
1 Institute for Electric Light Sources, School of Information Science and Technology, and Academy of Engineering and Technology, Fudan University, Shanghai 200433, China
2 State Key Laboratory of Luminescence and Applications, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
Due to the bandwidth limitation of the ultraviolet-C (UV-C) optical communication system and strong channel attenuation, it is difficult to transmit high-frequency signals. In this paper, the temporal ghost imaging (TGI) algorithm was first applied to the UV-C communication experimentally, and we realized the transmission of a 4 GHz signal through 95.34 MHz system bandwidth. The study indicates that the TGI algorithm can significantly improve the signal-to-noise ratio (SNR) compared with the on–off keying method. Our research provides a new approach for alleviating transmission frequency limitation due to poor SNR and insufficient hardware bandwidth.
temporal ghost imaging UV-C communication ultra-high-frequency signal transmission Chinese Optics Letters
2021, 19(11): 110602
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学 材料科学与光电工程中心, 北京 100049
3 北京北方华创微电子装备有限公司, 北京 100049
非极性a面AlN(a-AlN)能够从根本上解决极性AlN引起的量子限制斯塔克效应问题, 是提升AlGaN发光器件效率的有效途径。但是, 非极性AlN生长面临更大的挑战, 目前难以实现低缺陷密度、高平整表面的非极性a-AlN。高温热处理是一种提高AlN质量的有效方法, 但在热处理过程中, 非极性a-AlN的表面形貌演变的物理机理尚不明确, 直接影响了a-AlN表面改善与质量提升。本研究通过对a-AlN薄膜在不同条件下进行高温热处理, 对样品的表面形貌演变过程进行了表征与分析, 并结合第一性原理计算, 揭示了高温热处理对非极性a-AlN表面的影响及其物理机理。结果表明, 在高温热处理过程中Al、N原子更趋向于从a面与m面分解, 而在c面吸附, 使得a-AlN样品表面在高温热处理过程中出现了沿c轴方向的高取向性条纹原子台阶形貌, 进而提高a-AlN材料质量。本研究为实现高质量非极性a-AlN材料及紫外发光器件提供了重要基础。
高温热处理 表面形貌演变 结合能 a-AlN a-AlN high temperature annealing surface morphology evolution binding energy
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033
2 中国科学院大学，材料与光电研究中心，北京 100049
3 长春工业大学，长春 130012
AlGaN基材料是带隙可调的直接带隙宽禁带半导体材料，是制备紫外(UV)光电子器件的理想材料。经过数十年的研究，目前已经在异质衬底外延生长AlGaN基材料、高效掺杂等方面取得了巨大进展。以此为基础，AlGaN基紫外光电器件制备领域也得到长足发展。在本综述中，主要介绍了高质量AlGaN基材料的MOCVD外延生长方法、掺杂方法以及近年来在紫外发光、紫外探测器件方面取得的进展。
AlGaN基材料 外延生长 掺杂 紫外发光器件 紫外探测 AlGaN based material epitaxy growth doping UV LED UV photodetector
1 中国科学技术大学 微电子学院, 安徽 合肥 230026
2 中国科学院大学 材料与光电研究中心, 吉林 长春 130033
3 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 发光学及应用国家重点实验室, 吉林 长春 130033
现有的高斯噪声信号发生器都是采用数学计算的方式生成随机数的, 这种方式不能实现真正的随机信号, 与实际噪声信号不符。本文提出基于量子随机数的高斯噪声信号发生器, 通过单光子探测器对选择路径的光子信号的探测作为随机数的来源, 实现基于真随机的高斯噪声信号发生器。将得到的随机数经过WGN高斯算法处理得到高斯噪声信号, 在FPGA中使用verilog语言实现。对产生的噪声信号进行幅度谱和功率谱分析, 结果表明产生的噪声信号幅度值在0~255之间变化, 幅度谱服从高斯分布, 噪声信号的功率谱在20 dB上下均匀波动, 服从均匀分布, 满足高斯白噪声的特性。与现有的噪声信号发生器相比, 基于量子随机数的实现方式, 其随机数来源清晰, 能够做到真正的随机性, 为实现真随机数的高斯噪声信号发生器提供了一种简易的方案。
高斯噪声 单光子 随机数源 幅度谱 功率谱 Gauss noise single photon random number source amplitude spectrum power spectrum
1 北京大学物理学院 人工微结构和介观物理国家重点实验室, 北京 100871
2 发光学及应用国家重点实验室 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
3 南京大学电子科学与工程学院 江苏省光电信息功能材料重点实验室, 江苏 南京 210093
4 中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所 纳米器件与应用重点实验室, 江苏 苏州 215123
5 西安电子科技大学微电子学院 宽带隙半导体技术国防重点学科实验室, 陕西 西安 710071
高质量氮化镓(GaN)材料是发展第三代半导体光电子与微电子器件的根基。大失配、强极化和非平衡态生长是GaN基材料及其量子结构的固有特点, 对其生长动力学和载流子调控规律的研究具有重要的科学意义与实用价值, 受到各国科学界与产业界广泛高度重视。本文对大失配、强极化氮化物半导体材料体系外延生长动力学和载流子调控规律进行了研究, 旨在攻克蓝光发光效率限制瓶颈, 突破高Al和高In氮化物材料制备难题, 实现高发光效率量子阱和高迁移率异质结构, 制备多波段、高效率发光器件和高频率、高耐压电子器件, 实现颠覆性的技术创新和应用, 带动电子材料产业转型升级。
氮化镓 大失配 强极化 生长动力学 载流子调控 GaN large mismatch strong polarization growth dynamics carrier control
1 发光学及应用国家重点实验室 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100039
通过直流磁控反应溅射制备了氮化铝(AlN)薄膜, 研究了沉积条件与氮化镓(GaN)缓冲层对薄膜质量的影响。利用X-射线衍射仪(XRD)和扫描电镜(SEM)表征了AlN薄膜的晶体结构和表面形貌。XRD研究结果表明, 低工作压强、短靶距和适当的氮气偏压有利于(002)择优取向的AlN薄膜沉积。随着沉积时间的增加, 沉积在50 nm厚的GaN缓冲层上的AlN薄膜的(002)面的衍射峰的半高宽急剧减小, 而沉积在1 μm厚的GaN薄膜上的AlN薄膜的(002)面的衍射峰的半高宽几乎不变。SEM测试结果表明: 在沉积的初期, 沉积在1 μm厚的GaN薄膜上的AlN薄膜的(002)面的晶粒大小分布比沉积在50 nm厚的GaN缓冲层上的AlN薄膜的均匀, 而随着沉积时间的增加, 它们的晶粒大小分布几乎趋向一致。
GaN缓冲层 晶体结构 晶粒尺寸 AlN AlN GaN buffer layer crystal structure grain size
1 发光学及应用国家重点实验室 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院, 北京 100039
采用对a-AlGaN表面沉积SiO2纳米颗粒制备工艺得到了金属-半导体-金属(MSM)结构的a-AlGaN紫外探测器。与没有沉积SiO2纳米颗粒的探测器件相比, 沉积SiO2纳米颗粒使器件的暗电流下降了一个数量级, 峰值光谱响应度提高了近3个数量级, 紫外/可见抑制比大于103。
SiO2纳米颗粒 MSM紫外探测器 SiO2 nanoparticles a-AlGaN a-plane AlGaN MSM ultraviolet photodetectors
1 发光学与应用国家重点实验室 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院 研究生院, 北京 100039
采用热扩散方法, 对AlN薄膜进行了Si掺杂。利用电子能量散射谱(EDS)以及高温变温电导对薄膜进行了分析。EDS测试结果表明：在1 250 ℃的温度下, 氮化硅(SiNx)作为Si的扩散源, 可以实现对AlN薄膜的Si热扩散掺杂。高温电流-电压(I-V)测试表明：在460 ℃测试温度下, AlN薄膜在热扩散掺杂以后, 其电导从1.9×10-3 S·m-1增加到2.1×10-2 S·m-1。高温变温电导测试表明：氮空位(V3+N)和Si在AlN中的激活能为1.03 eV和0.45 eV。
杂质 氮化物 热扩散 impurities nitrides thermal diffusion
