量子芯片的中国半导体量子芯片研究

量子芯片的中国半导体量子芯片研究,第1张

中科院量子信息重点实验室教授郭国平、肖明与合作者成功实现了半导体量子点体系的两个电荷量子比特的控制非逻辑门,成果于7月17日发表在《自然—通讯》上 。中科院量子信息重点实验室郭国平教授半导体量子芯片研究组及其合作者又破世界纪录,通过实验成功实现世界上最快速量子逻辑门 *** 作,取得半导体量子芯片研究的重要突破。

传统砷化镓半导体量子点量子比特研究

半导体量子点由于其良好的扩展性和集成性是实现固态量子计算的最有力候选者。由单电子在双量子点中的左右量子点的占据态编码的电荷量子比特有众多的优越性,成为量子计算研究最热门的研究方向。首先,电荷量子比特门 *** 作速度可以较大范围的调节,达到GHz的频率;其次,电荷量子比特的制备、 *** 控和读取可以用全电学 *** 控来完成;最后,电子电荷自由度作为量子比特可以与现有信息处理技术兼容,并且可以利用先进的半导体工艺技术完成大面积的扩展和集成。一个单量子比特逻辑门 *** 控和一个两量子比特受控非门可以组合任意一个普适量子逻辑门 *** 控,而实现普适量子逻辑门 *** 控是实现量子信息处理过程的最关键技术。国际上主要有美国哈佛大学、威斯康星大学等集中在电子电荷量子比特的量子计算研究,我们研究团队在2013年成功实现了半导体超快普适单比特量子逻辑门(Nat. Commun. 4:1401 (2013),经过两年的摸索和积累,研究组在2015年成功实现两个电荷量子比特的控制非门,其 *** 控最短在200皮秒以内完成。相对于国际上目前电子自旋两量子比特的最高水平,新的半导体两量子比特的 *** 控速度提高了数百倍。单比特和两比特的量子逻辑门的完成,表明量子计算所需的所有基本量子逻辑门都可以在半导体上通过全电控制方式实现。这种方式具有 *** 控方便、速度超快、可集成化、并兼容传统半导体电子技术等重要优点,是进一步研制实用化半导体量子计算的坚实基础。

图示为单量子比特 *** 控和两量子比特 *** 控实验样品和实验测量图。

新型非掺杂砷化镓和硅锗异质结量子比特的制备和 *** 控研究

传统的砷化镓量子点是基于掺杂的砷化镓铝异质结中的二维电子气上形成的。由于掺杂不可避免的削弱电子电荷和自旋的稳定性,从而增加了量子比特受到掺杂电子电荷噪声的影响,缩短了量子比特的弛豫时间,加快了量子比特的的退相干过程。以解决上述问题为目标,分别采用非掺杂GaAs和SiGe异质结进行新型双层结构量子点器件的设计和制备,减小电荷噪声的影响,排除核自旋的影响,延长量子比特的退相干时间,实现单电子电荷和自旋量子比特的制备、测量和 *** 控。新型量子点器件是继承传统量子点器件可集成性等优势的同时,又具有高迁移率、强稳定性的增强型量子点研究体系,是实现多量子比特耦合的基础。基于非掺杂砷化镓异质结的电荷量子比特和基于非掺杂SiGe异质结的电子自旋量子比特研究都是相关研究中的新兴热门领域,特别是基于SiGe量子点的自旋量子比特由于其没有核自旋,具有较长的量子退相干时间。我们研究团队成功制备了两种材料的双量子点器件,完成了砷化镓量子点的表征和电子弛豫时间以及退相干时间的测量,正在开展进一步的实验研究。图示为新型非掺杂砷化镓和硅锗双量子点样品的结构图和实验测量。

半导体量子点与超导腔耦合的复合量子比特以及多量子比特扩展

基于半导体量子点的量子计算方案都是利用相邻量子点量子比特之间的交换相互作用来实现多比特的量子逻辑门 *** 作,非近邻量子比特之间的逻辑门 *** 作需要通过一系列近邻门 *** 作组合完成,这大大增加了计算过程中逻辑门 *** 作的数量和难度。最近有些理论工作提出借用超导量子比特系统中的超导传输谐振腔等概念来实现半导体量子点非近邻量子比特耦合的量子数据总线,但是相应的实验还处于起步和摸索阶段。不过半导体量子点和超导谐振腔为我们提供一种崭新的物理体系,同时很好的兼容了传统半导体产业各种微纳米工艺和技术,在未来的信息处理器中具有广阔的应用前景。我们团队提出了最早的非强耦合条件下的超导传输谐振腔与量子点量子计算理论方案(Phys. Rev. Lett. 101 , 230501 (2008).),大大降低了实验的要求和难度。

我们研究团队在半导体量子点的制备和 *** 控方面积累了大量的实验经验和技术,对超导谐振腔体的制备和表征也掌握关键的工艺技术。经过几年研究积累,完成了超导谐振腔与石墨烯双量子点以及超导谐振腔与两个石墨烯双量子点实现远程耦合的实验研究,以此为基础着力于解决半导体量子点多比特之间的耦合问题,具有很大的理论和实验挑战性。我们目前的这些前期工作已属于世界研究前列,结合已开展的半导体量子点处理单元和测量单元研究,集中推进基于固态量子比特的多量子比特扩展研究。

基于新型二维材料(Graphene,TMDS)体系的量子器件制备和量子物理研究

二维材料体系由于其独特的结构和性质优越性,被科学界大量研究,特别是单层石墨烯材料,以及最近掀起一波研究热潮的TMD材料体系。我们研究团队在实验室内设计制备了多种石墨烯量子点元器件,2009年在国际上首先制备出石墨烯量子点+单电子测量器的芯片( Applied. Phys. Letters 97, 262113 (2010)),特别是制备出了世界上第一块并联的石墨烯双量子点样品( Applied. Phys. Letters 99, 112117 (2011)),开发了集成测量读出系统的全石墨单电子晶体管;设计了石墨烯量子点元器件的全电学 *** 控模式,掌握了精细调节电极控制量子点器件上电子状态的规律和方法;另外我们在国际上率先提出了石墨烯量子点量子计算的完整方案等;我们设计的石墨烯结构和尺寸等方面的优势在国际上也居于比较前列的位置。近期我们也开展了关于TMDs材料方面的量子器件研究,取得了一些重要的实验结果。

“量子芯片”是未来量子计算机的“大脑”。 2016年2月,国际权威杂志《物理评论快报》发表了中国科学技术大学郭光灿院士领导的中科院量子信息重点实验室郭国平研究组在量子芯片开发领域的一项重要进展。该成果由郭国平研究组及合作者完成,首次在砷化镓半导体量子芯片中成功实现了量子相干特性好、 *** 控速度快、可控性强的电控新型编码量子比特。研究组利用半导体量子点的多电子态轨道的非对称特性,首次在砷化镓半导体系统中实现了轨道杂化的新型量子比特,巧妙地将电荷量子比特超快特性与自旋量子比特的长相干特性融为一体,实现了“鱼”和“熊掌”的兼得。实验结果表明,该新型量子比特在超快 *** 控速度方面与电荷量子比特类似,而其量子相干性方面,却比一般电荷编码量子比特提高近十倍。同时,该新型多电子轨道杂化实现量子比特编码和调控的方式具有很强的通用性,对探索半导体中极性声子和压电效应对量子相干特性的影响提供了新思路。

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问题描述:

我要写一篇课程结课文章,题目是“非晶态半导体的电学性质”,谁能提供点资料啊?!

解析:

以非晶态半导体材料为主体制成的固态电子器件。非晶态半导体虽然在整体上分子排列无序,但是仍具有单晶体的微观结构,因此具有许多特殊的性质。1975年,英国W.G.斯皮尔在辉光放电分解硅烷法制备的非晶硅薄膜中掺杂成功,使非晶硅薄膜的电阻率变化10个数量级,促进非晶态半导体器件的开发和应用。同单晶材料相比,非晶态半导体材料制备工艺简单,对衬底结构无特殊要求,易于大面积生长,掺杂后电阻率变化大,可以制成多种器件。非晶硅太阳能电池吸收系数大,转换效率高,面积大,已应用到计算器、电子表等商品中。非晶硅薄膜场效应管阵列可用作大面积液晶平面显示屏的寻址开关。利用某些硫系非晶态半导体材料的结构转变来记录和存储光电信息的器件已应用于计算机或控制系统中。利用非晶态薄膜的电荷存储和光电导特性可制成用于静态图像光电转换的静电复印机感光体和用于动态图像光电转换的电视摄像管的靶面。

具有半导体性质的非晶态材料。非晶态半导体是半导体的一个重要部分。50年代B.T.科洛米耶茨等人开始了对硫系玻璃的研究,当时很少有人注意,直到1968年S.R.奥弗申斯基关于用硫系薄膜制作开关器件的专利发表以后,才引起人们对非晶态半导体的兴趣。1975年W.E.斯皮尔等人在硅烷辉光放电分解制备的非晶硅中实现了掺杂效应,使控制电导和制造PN结成为可能,从而为非晶硅材料的应用开辟了广阔的前景。在理论方面,P.W.安德森和莫脱,N.F.建立了非晶态半导体的电子理论,并因而荣获1977年的诺贝尔物理学奖。目前无论在理论方面,还是在应用方面,非晶态半导体的研究正在很快地发展着。

分类 目前主要的非晶态半导体有两大类。

硫系玻璃。含硫族元素的非晶态半导体。例如As-Se、As-S,通常的制备方法是熔体冷却或汽相沉积。

四面体键非晶态半导体。如非晶Si、Ge、GaAs等,此类材料的非晶态不能用熔体冷却的办法来获得,只能用薄膜淀积的办法(如蒸发、溅射、辉光放电或化学汽相淀积等),只要衬底温度足够低,淀积的薄膜就是非晶态结构。四面体键非晶态半导体材料的性质,与制备的工艺方法和工艺条件密切相关。图1 不同方法制备非晶硅的光吸收系数 给出了不同制备工艺的非晶硅光吸收系数谱,其中a、b制备工艺是硅烷辉光放电分解,衬底温度分别为500K和300K,c制备工艺是溅射,d制备工艺为蒸发。非晶硅的导电性质和光电导性质也与制备工艺密切相关。其实,硅烷辉光放电法制备的非晶硅中,含有大量H,有时又称为非晶的硅氢合金;不同工艺条件,氢含量不同,直接影响到材料的性质。与此相反,硫系玻璃的性质与制备方法关系不大。图2 汽相淀积溅射薄膜和熔体急冷成块体AsSeTe的光吸收系数谱 给出了一个典型的实例,用熔体冷却和溅射的办法制备的AsSeTe样品,它们的光吸收系数谱具有相同的曲线。

非晶态半导体的电子结构 非晶态与晶态半导体具有类似的基本能带结构,也有导带、价带和禁带(见固体的能带)。材料的基本能带结构主要取决于原子附近的状况,可以用化学键模型作定性的解释。以四面体键的非晶Ge、Si为例,Ge、Si中四个价电子经sp杂化,近邻原子的价电子之间形成共价键,其成键态对应于价带;反键态对应于导带。无论是Ge、Si的晶态还是非晶态,基本结合方式是相同的,只是在非晶态中键角和键长有一定程度的畸变,因而它们的基本能带结构是相类似的。然而,非晶态半导体中的电子态与晶态比较也有着本质的区别。晶态半导体的结构是周期有序的,或者说具有平移对称性,电子波函数是布洛赫函数,波矢是与平移对称性相联系的量子数,非晶态半导体不存在有周期性, 不再是好的量子数。晶态半导体中电子的运动是比较自由的,电子运动的平均自由程远大于原子间距;非晶态半导体中结构缺陷的畸变使得电子的平均自由程大大减小,当平均自由程接近原子间距的数量级时,在晶态半导体中建立起来的电子漂移运动的概念就变得没有意义了。非晶态半导体能带边态密度的变化不像晶态那样陡,而是拖有不同程度的带尾(如图3 非晶态半导体的态密度与能量的关系 所示)。非晶态半导体能带中的电子态分为两类:一类称为扩展态,另一类为局域态。处在扩展态的每个电子,为整个固体所共有,可以在固体整个尺度内找到;它在外场中运动类似于晶体中的电子;处在局域态的每个电子基本局限在某一区域,它的状态波函数只能在围绕某一点的一个不大尺度内显著不为零,它们需要靠声子的协助,进行跳跃式导电。在一个能带中,带中心部分为扩展态,带尾部分为局域态,它们之间有一分界处,如图4 非晶态半导体的扩展态、局域态和迁移率边 中的和,这个分界处称为迁移率边。1960年莫脱首先提出了迁移率边的概念。如果把迁移率看成是电子态能量的函数,莫脱认为在分界处和存在有迁移率的突变。局域态中的电子是跳跃式导电的,依靠与点阵振动交换能量,从一个局域态跳到另一个局域态,因而当温度趋向0K时,局域态电子迁移率趋于零。扩展态中电子导电类似于晶体中的电子,当趋于0K时,迁移率趋向有限值。莫脱进一步认为迁移率边对应于电子平均自由程接近于原子间距的情况,并定义这种情况下的电导率为最小金属化电导率。然而,目前围绕著迁移率边和最小金属化电导率仍有争论。

缺陷 非晶态半导体与晶态相比较,其中存在大量的缺陷。这些缺陷在禁带之中引入一系列局域能级,它们对非晶态半导体的电学和光学性质有着重要的影响。四面体键非晶态半导体和硫系玻璃,这两类非晶态半导体的缺陷有着显著的差别。

非晶硅中的缺陷主要是空位、微空洞。硅原子外层有四个价电子,正常情况应与近邻的四个硅原子形成四个共价键。存在有空位和微空洞使得有些硅原子周围四个近邻原子不足,而产生一些悬挂键,在中性悬挂键上有一个未成键的电子。悬挂键还有两种可能的带电状态:释放未成键的电子成为正电中心,这是施主态;接受第二个电子成为负电中心,这是受主态。它们对应的能级在禁带之中,分别称为施主和受主能级。因为受主态表示悬挂键上有两个电子占据的情况,两个电子间的库仑排斥作用,使得受主能级位置高于施主能级,称为正相关能。因此在一般情况下,悬挂键保持只有一个电子占据的中性状态,在实验中观察到悬挂键上未配对电子的自旋共振。1975年斯皮尔等人利用硅烷辉光放电的方法,首先实现非晶硅的掺杂效应,就是因为用这种办法制备的非晶硅中含有大量的氢,氢与悬挂键结合大大减少了缺陷态的数目。这些缺陷同时是有效的复合中心。为了提高非平衡载流子的寿命,也必须降低缺陷态密度。因此,控制非晶硅中的缺陷,成为目前材料制备中的关键问题之一。

硫系玻璃中缺陷的形式不是简单的悬挂键,而是“换价对”。最初,人们发现硫系玻璃与非晶硅不同,观察不到缺陷态上电子的自旋共振,针对这表面上的反常现象,莫脱等人根据安德森的负相关能的设想,提出了MDS模型。当缺陷态上占据两个电子时,会引起点阵的畸变,若由于畸变降低的能量超过电子间库仑排斥作用能,则表现出有负的相关能,这就意味着受主能级位于施主能级之下。用 D、D、D 分别代表缺陷上不占有、占有一个、占有两个电子的状态,负相关能意味着:

2D —→ D+D

是放热的。因而缺陷主要以D、D形式存在,不存在未配对电子,所以没有电子的自旋共振。不少人对D、D、D缺陷的结构作了分析。以非晶态硒为例,硒有六个价电子,可以形成两个共价键,通常呈链状结构,另外有两个未成键的 p电子称为孤对电子。在链的端点处相当于有一个中性悬挂键,这个悬挂键很可能发生畸变,与邻近的孤对电子成键并放出一个电子(形成D),放出的电子与另一悬挂键结合成一对孤对电子(形成D),如图 5 硫系玻璃的换价对 所示。因此又称这种D、D为换价对。由于库仑吸引作用,使得D、D通常是成对地紧密靠在一起,形成紧密换价对。硫系玻璃中成键方式只要有很小变化就可以形成一组紧密换价对,如图6 换价对的自增强效应 所示,它只需很小的能量,有自增强效应,因而这种缺陷的浓度通常是很高的。利用换价对模型可以解释硫属非晶态半导体的光致发光光谱、光致电子自旋共振等一系列实验现象。

应用 非晶态半导体在技术领域中的应用存在着很大的潜力,非晶硫早已广泛应用在复印技术中,由S.R.奥夫辛斯基首创的 As-Te-Ge-Si系玻璃半导体制作的电可改写主读存储器已有商品生产,利用光脉冲使碲微晶薄膜玻璃化这种性质制作的光存储器正在研制之中。对于非晶硅的应用目前研究最多的是太阳能电池。非晶硅比晶体硅制备工艺简单,易于做成大面积,非晶硅对于太阳光的吸收效率高,器件只需大约1微米厚的薄膜材料,因此,可望做成一种廉价的太阳能电池,现已受到能源专家的重视。最近已有人试验把非晶硅场效应晶体管用于液晶显示和集成电路。

坑试验怎么做?附详解!在半导体封装工艺中,d坑试验是用来评估键合参数以及键合可靠性的。键合工艺使用的材料一般是金线,铜线或铝线,其中铝线一般是在大功率的产品中使用,铜线在解决了可靠性的问题之后应用也越来越多。d坑试验数据能够指导工艺工程等部门进行工艺设计改进,优化。FA 在进行这种分析时,针对不同的产品类型,一般采用什么样的方法呢?本文介绍几种常见的方法。

1. 铝 (Al bond pad)+ 金线键合(Au wire bond) 目的:分离金球(bond ball)与bond pad,用于检查分析 IMC 和bond pad 试剂:10% NaOH溶液 温度:室温 腐蚀时间:约5分钟 (取决于样品) 方法说明:该方法是利用铝的两性,通过碱性溶剂把金球和bond pad之间的铝层溶掉,最终把bond pad和金线分离出来,用于检查分析。在腐蚀铝层时,金线不会被腐蚀掉。溶液浓度可根据产品特点进行调整,也有用氢氧化钾的,但不宜用高浓度的碱进行腐蚀,需要控制好时间,否则会对芯片造成损伤。

2. 铝 (Al bond pad)+ 金线键合(Au wire bond) 目的:检查bond pad,不关注bond ball 试剂:碘化钾,单质碘,纯水, KI : I2 : DI =115g : 65g : 100g 温度:室温 腐蚀时间:10分钟~15分钟 (取决于样品) 方法说明:该方法是直接把金溶掉,最终把bond pad暴露出来进行检查分析,在腐蚀金的同时,bond pad上面的铝层也会被腐蚀掉。 特点是对金的腐蚀速率较快,缺点是腐蚀不掉的残留物有时较难去除干净。当然去除金的方法还有多种,比如王水,汞等,但王水的氧化性太强,对很多材料都有腐蚀性或者负面影响,汞属于毒性很强的物质一般也不常用,在冶金上面会用于提取金。

3. 铝 (Al bond pad)+ 铜线键合(Cu wire bond) 目的:分离铜球(bond ball)与bond pad,用于检查分析 IMC 和bond pad 试剂:10% NaOH 温度:室温 腐蚀时间:约5分钟 (取决于样品) 方法说明:该方法是用氢氧化钠溶解铝层,但氢氧化钠不会腐蚀铜线,最终可以把bond pad和铜线分离出来,可以检查bond pad和IMC,与金线IMC检查的方法一样。

4. 铝 (Al bond pad)+ 铜线键合(Cu wire bond) 目的:溶解铜线,用于检查分析 bond pad,不需要保证铜线的完整性 试剂:发烟硝酸 温度:室温 腐蚀时间:30秒~ 1分钟 (取决于样品) 这时可以进行bond pad的检查,此时铝层还在pad上,如果需要进一步把铝层去除,可以接着做下面一步: 试剂:HCL (37% ) 温度:50 °C 腐蚀时间:1分钟~ 3分钟 (取决于样品) 方法说明:该方法是用发烟硝酸直接溶解铜线,但由于铝具有钝化作用而得以保留,该方法分两步分别把铜线和铝层溶解掉,可以检查bond pad的铝层形貌以及去掉铝层后的芯片pad。


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