日本研究人员实现精确控制氮化镓基垂直腔面发射激光器的腔长

日本研究人员实现精确控制氮化镓基垂直腔面发射激光器的腔长 功率转换效率超过 20% 的氮化镓紫色表面发光激光器。资料来源：Tetsuya Takeuchi / 名城大学GaN-VCSEL 由两层被称为分布式布拉格反射镜 (DBR) 的特殊半导体反射镜组成，中间由有源 GaN 半导体层隔开，形成光谐振腔，激光就在其中产生。谐振腔的长度对于控制目标激光波长（即谐振波长）至关重要。迄今为止，已开发出两种基于氮化镓的 VCSEL 结构：一种是底部介质 DBR，另一种是底部氮化铝铟（AlInN）/氮化镓 DBR。这两种结构都能产生光输出功率超过 20 毫瓦、壁塞效率（WPE）超过 10%的 VSCEL。然而，AlInN/GaN DBR 的停止波长带宽较窄，因此 VCSEL 只能发射窄波长范围内的光。此外，传统的腔体长度控制方法需要对测试腔体层进行预实验，以确定其生长速度，这会导致 VCSEL 腔体的估计厚度和最终厚度之间存在误差。这种误差会导致共振波长超出 AlInN/GaN DBR 的窄停止带宽，从而严重影响性能。腔长控制的创新为了解决这个问题，在最近的一项研究中，日本名城大学材料科学与工程系教授竹内哲也领导的研究人员为基于氮化镓的 VCSEL 光腔开发了一种新的原位 腔长控制方法。通过利用原位反射率光谱测量精确控制氮化镓层的生长，研究人员实现了精确的腔长控制，与目标谐振波长的偏差仅为 0.5%。现在，他们进一步扩展了这一创新技术，并展示了完整 VSCEL 的腔长控制。竹内教授解释说："VCSEL 的腔体不仅包含氮化镓层，还包含氧化铟锡 (ITO) 电极和五氧化二铌 (Nb2O5) 间隔层，而这些都无法通过相同的原位反射率光谱测量系统进行控制。在这项研究中，我们开发了一种精确校准这些附加层厚度的技术，从而实现了高效的 VCSEL。"他们的研究成果发表在《应用物理通讯》（Applied Physics Letters）杂志第124卷第13期上。附加层的校准技术为了校准附加层的厚度，研究人员首先在使用原位空腔控制生长的 GaN 测试结构上沉积了不同厚度的 ITO 电极和Nb2O5间隔层。鉴于原位反射率测量无法用于这些附加层，他们直接使用原位反射率光谱测量来评估这些测试空腔结构的共振波长。获得的共振波长发生了红移，即随着 ITO 和Nb2O5层厚度的增加，波长也随之增加。接下来，研究人员绘制了共振波长偏移与 ITO 和Nb2O5层 厚度的函数关系图，从而获得了有关其光学厚度的准确信息。他们利用这些信息精确校准了目标 VCSEL 共振波长的 ITO 层和Nb2O5层厚度。这种方法产生的共振波长控制偏差非常小，在 3% 以内，在光学厚度方面可与现场控制方法相媲美。最后，研究人员通过在利用原位 腔体控制技术生长的 VCSEL 腔体中加入调谐 ITO 电极和Nb2O5间隔层，制造出了孔径大小为 5 至 20 µm 的 GaN-VCSEL。这些 VCSEL 的峰值发射波长与设计共振波长的偏差仅为 0.1%。值得注意的是，得益于精确的腔长控制，5 微米孔径的 VCSEL 实现了 21.1% 的 WPE，这是一项重大成就。竹内教授总结说："就像高精度的刻度尺可以制造精细的架子一样，精确地使用氮化镓层的原位厚度控制，结合ITO电极和Nb2O5间隔层的厚度校准，可以实现VCSEL的高度可控制造，是获得高性能和高可重复性的氮化镓基VCSEL的有力工具，可用于高效光电设备。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

日本开发在磁场下实现电阻开关效应的半导体器件

日本开发在磁场下实现电阻开关效应的半导体器件 日本一个研究团队研制出一种半导体纳米通道器件，给这种器件施加磁场能使其电阻值发生高达250倍的变化。这种现象未来有望用于开发新型电子元器件等。相关论文已发表在国际学术期刊《先进材料》上。 新华社报道，日本东京大学近日发布公报说，该校研究人员领衔的团队研制出一种通道长20纳米的锗半导体纳米通道器件，它属于半导体两端器件，拥有铁和氧化镁双层结构的电极，还添加了硼元素。研究人员观察到，通过给这种器件施加磁场能使其表现出电阻开关效应，外加磁场还使其实现了高达250倍的电阻变化率。研究人员给这种现象取名为“巨磁阻开关效应”。 公报说，目前仅能在20开尔文（约零下253摄氏度）的低温环境下观测到这种“巨磁阻开关效应”。研究团队下一步将致力于提高“巨磁阻开关效应”出现的温度，以便将其用于开发新型电子元器件等。 电阻开关效应一般指，材料能够在外电场作用下在低电阻态和高电阻态之间可逆转换。基于电阻开关效应的电阻式随机存取存储器被视为最有竞争力的下一代非易失性存储器之一。 传统的动态随机存取存储器是利用电容储存电荷多少来存储数据，一大缺点是数据的易失性，电源意外切断时会丢失存储数据。而电阻式随机存取存储器是通过向器件施加脉冲电压产生电阻高低变化，以此表示二进制中的“0”和“1”，其存储数据不会因意外断电而丢失，是一种处于开发阶段的下一代内存技术。 论文第一作者、东京大学研究生院工学系研究科教授大矢忍接受新华社邮件采访时说，目前已有很多关于电阻开关效应的研究，但此前对电阻开关效应的“磁场依存性”关注较少。新成果将来有望在电子领域得到应用，特别是用于神经形态计算以及开发下一代存储器、超高灵敏度传感器等新型器件。 2024年4月5日 1:53 PM

科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导

科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导 美国海军研究实验室（NRL）与堪萨斯州立大学合作，宣布发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导。这一里程碑式的发现已在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上发表。二维（2D）材料是一类可以通过机械剥离层来还原到单层极限的材料,通过所谓的"苏格兰胶带"法，可以利用微弱的层间吸引力或范德华吸引力将各层分开。最著名的二维材料石墨烯是一种由单层碳原子组成的半金属材料。最近，包括半导体过渡金属二掺杂物（TMDs）和绝缘六方氮化硼（hBN）在内的其他二维材料也引起了人们的关注。当降低到接近单层极限时，二维材料具有独特的纳米级特性，这对制造原子级薄型电子和光学设备很有吸引力。新型材料与应用部门的 Samuel Lagasse 博士说："我们知道使用六方氮化硼会使我们的样品具有出色的光学特性，但我们谁也没想到它还能起到波导的作用。由于氮化硼在基于二维材料的设备中应用如此广泛，这种作为光波导的新用途可能会产生广泛的影响。"六边形氮化硼波导中的波导光致发光共聚焦显微镜图像，边缘的叶状图案让人联想到锦鲤绕池游。图片由 Samuel LaGasse 于 2023 年 4 月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/Samuel LaGasse石墨烯和 TMD 单层材料对周围环境都极为敏感。因此，研究人员试图通过将这些材料封装在钝化层中来保护它们。这就是氢溴酸硼的作用所在：氢溴酸硼层能够"筛选"石墨烯或 TMD 层附近的杂质，从而产生奇妙的特性。在最近由 NRL 领导的工作中，对发光 TMD 层周围的 hBN 厚度进行了仔细调整，以支持光波导模式。波导技术的进步NRL 的研究人员小心翼翼地将被称为"范德华异质结构"的二维材料堆叠在一起。这些异质结构因分层而具有特殊的性能。在二硒化钼或二硒化钨等 TMD 的单层周围放置了 hBN 板，这些 TMD 可以发射可见光和近红外线。hBN 板的厚度经过仔细调整，这样发射的光就会被困在 hBN 内并被波导。当光波导到氢化硼的边缘时，就会散射出来，并被显微镜探测到。六边形氮化硼波导的实空间（左）和傅立叶空间（右）光致发光图像。实空间图像显示了样品内部发出光致发光的位置，而傅立叶空间图像则描述了发出光的角度。图片由 Nicholas Proscia 于 2023 年 4 月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/Nicholas Proscia这项研究的动力来自于二维 TMD 光学测量所面临的挑战。当激光聚焦在 TMD 上时，会产生称为激子的粒子。大多数激子在 TMD 平面外发光，但在某些 TMD 中存在一种难以捉摸的激子，被称为"暗"激子，它在 TMD 平面内发光。NRL 的板坯波导可以捕捉暗激子发出的光，从而提供了一种对其进行光学研究的方法。"二维材料具有奇特的光电特性，对海军非常有用，"Lagasse 说。"一个巨大的挑战是在不损坏现有平台的情况下将这些材料与现有平台连接起来这些氮化硼波导是实现这一目标的一步"。NRL 研究人员使用两种特殊类型的光学显微镜来鉴定氢化硼波导。其中一种装置允许研究人员从光谱学角度解析波导不同点发出的光致发光。另一种装置可以让他们观察发射光的角度分布。NRL 研究人员还开发了波导的三维电磁模型。建模结果为设计未来使用片状波导的二维设备提供了一个工具包。编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

实验室中的内存解决方案可在高达600°C的温度下运行 有望在服务器中广泛应用

实验室中的内存解决方案可在高达600°C的温度下运行 有望在服务器中广泛应用 根据《自然电子学》（Nature Electronics）上发表的研究，基于铁电氮化铝钪（AlScN）的闪存盘可能会成为市场的下一代标准，这不仅是因为它的名字听起来很特别，还因为这种材料在温度下的可持续性。宾夕法尼亚大学的研究人员 Deep Jariwala 和 Roy Olsson 展示了一种存储器原型，即使在 600 摄氏度的高温下仍能正常工作，据说是目前市场上替代品的两倍。现在，更大的问题是，为什么首先需要这种内存解决方案。答案很简单。巨型计算系统集成了大量组件，会产生巨大的热能，这些热能会通过板载冷却解决方案、液体或空气散失。然而，由于内存设备的不稳定性，超出范围的温度会导致数据丢失和性能下降，这对于大型系统来说是难以承受的。因此，即使在高温条件下，板载内存也必须持续运行。Jariwala 说，他们的解决方案针对的是大规模人工智能系统，因为这些系统甚至可以在更恶劣的条件下运行。据报道，除了温度优势外，基于 AlScN 的内存设备在弥补中央处理器和内存之间数据传输效率低下的问题上也比传统产品更具优势。虽然碳化硅技术很有希望，但它的处理能力远不及硅处理器，因此无法在高温或任何恶劣的环境中进行高级处理和重数据计算，如人工智能。我们内存设备的稳定性可以让内存和处理更紧密地结合在一起，从而提高计算的速度、复杂性和效率。我们称之为"内存增强计算"，并正与其他团队合作，为新环境下的人工智能奠定基础。- 宾夕法尼亚大学 Deep Jariwala这项研究确实表明，未来的内存标准可能会迅速发展，所使用的核心材料层也会发生根本性的变化，在这种情况下，AlScN 似乎是个不二之选，但现在下结论还为时尚早。 ... PC版： 手机版：

EPFL研究人员创造出超低温下将热能转化为电能的新型装置

EPFL研究人员创造出超低温下将热能转化为电能的新型装置 要进行量子计算，量子比特（量子位）必须冷却到毫开尔文范围（接近-273摄氏度）的温度，以减缓原子运动并将噪声降至最低。然而，用于管理这些量子电路的电子器件会产生热量，在如此低的温度下很难去除。因此，大多数当前的技术都必须将量子电路与其电子组件分离，这会导致噪音和低效率，阻碍实验室以外更大量子系统的实现。由Andras Kis领导的EPFL纳米电子与结构实验室（LANES）的研究人员现在已经制造出一种设备，该设备不仅在极低的温度下工作，而且在室温下的效率与当前的技术相当。该成果已发表在《自然·纳米技术》杂志上。LANES博士生Gabriele Pasquale说：“我们是第一个创造出一种与当前技术的转换效率相匹配的设备，但它能在量子系统所需的低磁场和超低温下工作。这项工作确实向前迈出了一步。”该创新器件将石墨烯的优异导电性与硒化铟的半导体特性相结合。它只有几个原子厚，表现得像一个二维物体，这种材料和结构的新颖组合产生了前所未有的性能。该设备利用了能斯特效应：一种复杂的热电现象，当磁场垂直于温度变化的物体时，会产生电压。实验室设备的2D特性允许以电气方式控制该机构的效率。2D结构是在EPFL微纳技术中心和LANES实验室制造的。实验包括使用激光作为热源，使用专门的稀释冰箱达到100毫开尔文，这一温度甚至比外太空还要低。在如此低的温度下将热量转换为电压通常极具挑战性，但新型器件及其对能斯特效应的利用使这成为可能，填补了量子技术的一个关键空白。“如果你把笔记本电脑放在寒冷的办公室里，笔记本电脑在工作时仍然会发热，导致房间的温度也会升高。在量子计算系统中，目前没有任何机制可以防止这种热量干扰量子位。我们的设备可以提供这种必要的冷却，”Pasquale说。Pasquale是一名受过训练的物理学家，他强调这项研究意义重大，因为它揭示了低温下的热电能转换这是一种迄今为止尚未探索的现象。考虑到高转换效率和潜在可制造电子元件的使用，LANES团队还认为他们的设备已经可以集成到现有的低温量子电路中。Pasquale说：“这些发现代表了纳米技术的重大进步，有望开发出对毫开尔文温度下的量子计算至关重要的先进冷却技术。”。“我们相信，这一成就将彻底改变未来技术的冷却系统。” ... PC版： 手机版：

香港城大研究人员找到开发性能卓越的多功能电子器件的新方法

香港城大研究人员找到开发性能卓越的多功能电子器件的新方法 电子元件（包括晶体管）的微型化已经达到了一个瓶颈，给半导体的生产带来了障碍。然而，由香港城市大学（城大）材料科学专家领导的一组研究人员推出了一种新方法，利用由混合维纳米线和纳米薄片制成的晶体管，制造出多功能、高性能的电子元件。这一突破有助于简化芯片电路设计，并促进未来灵活而节能的电子设备的发展。近几十年来，随着晶体管和集成电路的不断扩展，已经开始达到物理和经济上的极限，以可控和具有成本效益的方式制造半导体器件已成为一项挑战。晶体管尺寸的进一步扩大增加了漏电流，从而增加了功率耗散。复杂的布线网络也会对功耗产生不利影响。多值逻辑（MVL）已成为克服日益增长的功耗的一项前景广阔的技术。它超越了传统二进制逻辑系统的限制，大大减少了晶体管元件及其互连的数量，从而实现了更高的信息密度和更低的功耗。人们一直致力于构建各种多值逻辑器件，包括反双极晶体管（AAT）。反双极晶体管的突破性进展反双极器件是一类正（空穴）负（电子）电荷载流子都能在半导通道内同时传输的晶体管。然而，现有的反双极型器件主要使用二维或有机材料，这些材料对于大规模半导体器件集成来说并不稳定。此外，它们的频率特性和能效也很少被探索。针对这些限制，香港城市大学协理副校长（企业）兼材料科学与工程学系副系主任何颂贤教授领导的研究团队着手研究开发信息密度更高、互连更少的反双极器件电路，并探索其频率特性。基于 GaAsSb/MoS2 异质结的三元逆变器示意图研究小组采用先进的化学气相沉积技术制造出了一种新型的混合维异质晶体管，它结合了高质量砷化镓锑纳米线和MoS2纳米片的独特性能。革命性的混维晶体管新型反双极性晶体管性能卓越。由于混维GaAsSb/MoS2结具有很强的界面耦合和带状结构排列特性，这种异质晶体管具有突出的反双极传输特性，并能实现跨导翻转。与 CMOS 技术中的传统频率倍增器相比，转导的翻转使频率响应输入的模拟电路信号加倍，从而大大减少了所需器件的数量。何教授说："我们的混维反双极晶体管可以同时实现多值逻辑电路和频率乘法器，这在反双极晶体管应用领域尚属首次。"香港城市大学教授何颂贤多值逻辑特性简化了复杂的布线网络，降低了芯片功耗。器件尺寸的缩小以及结区的缩小使器件既快速又节能，从而实现了高性能的数字和模拟电路。"何教授说："我们的研究结果表明，混合维反双极器件能够实现具有高信息存储密度和信息处理能力的芯片电路设计。迄今为止，半导体行业的大多数研究人员都专注于器件的微型化，以保持摩尔定律的发展。但是，反双极型器件的出现显示了现有基于二进制逻辑的技术的相对优越性。这项研究开发的技术代表着向下一代多功能集成电路和电信技术迈进了一大步。"这项研究还为进一步简化复杂的集成电路设计以提高性能提供了可能。这种混维反双极性器件的跨导翻转功能显示了在数字和模拟信号处理中的广泛应用，包括三元逻辑反相器、先进光电子学和倍频电路。何教授补充说："新的器件结构预示着未来多功能电子技术革命的潜力。"编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：