前沿中固态量子结构量子器件及其集成技术

1、项目名称：IT前沿中固态量子结构、量子器件及其集成技术首席科学家：郑厚植中科院半导体所起止年限：2004年6月至 2006年8月依托部门：中国科学院一、研究内容和课题设置1.项目计划任务书原定内容1，基于量子结构的新型光电子、光子器件一方面为了面对我国加入WTO以后所面临的挑战，急需提升我国电子、光电子器件技术的原创性知识产权的含量；另一方面为了满足对入侵巡航导弹的预警探测（红外、紫外）和雷达、电子对抗战对超高速电路（40GHz）的急需，开展以下研究：a.量子结构、量子器件中的物理过程b.基于低维量子结构的长波长微腔增强型可调谐的探测器及其列阵（8?8列阵，1.06mm中心波长，探测半宽15n

2、m，量子效率40，暗电流10-12Amm-2，探测率109cmHz1/2W-1，响应时间10nS）c.日光盲紫外探测器及其列阵（探测率0.1A/W，8?8列阵）d.利用量子点固体微腔的新型光电子器件e.光子存储器件（中心波长1.041.06mm,存贮时间100mS，响应灵敏度量10-7W/mm2,开关时间100nS）f.RTD触发器电路2，半导体中的自旋过程和自旋量子器件a.建立TRFR实验手段，实现对电子自旋态进行相干探测b.自旋量子态的纠缠、退相干效应c.半导体自旋电子、光电子原理器件d.与自旋器件接口的CMOS电路3，SPM技术和分子、团簇器件的原理探索a.低维量子结构物理性质的SPM探

3、测（如库仑阻塞、反常电导和塞曼效应等）b.纳米量子结构的局域功函数和表面电导测量c.单分子、团簇光电分子原理器件d.单分子、团簇的磁性性质制备光存储原理器件4，固态量子电路的基础研究a.单电子器件及其电路的基础研究（包括基于单电子器件的光发射、探测和存储技术）b.量子模拟逻辑和量子神经网基础研究c.量子结构在量子比特上的应用探索d.实现固态量子比特的物理方案和计算机模拟5，新材料体系在量子结构、量子器件中的应用a.三维Si/SiGe量子点阵列的光学、电学特性及正入射红外探测器列阵器件（1.31.5mm，外量子效率20）b.硅基量子点LED、微腔器件c.声子辅助硅基量子点光放大原理器件6，红外量

4、子器件瞄准航天、航空急需红外遥感技术和宽带接入网所需的低价位1.3m光发射模块、研制：a.多波长、光谱型、光电光转换和室温红外焦平面列阵的原型器件b.HgCdTe、HgMnTe高增益、低噪声雪崩光电二极管和红外单光子探测器探索（1.31.8mm）c.GaInNAs长波长微腔面发射激光器（波长1.3mm，阈电流?10mA, 阈电压?3V，调制速率2.5Gbit/s）d.GaInNAs/GaAs微腔增强型探测器（波长1.3mm，暗电流<1nA，噪声等效功率nW，量子效率50，响应时间小于10nS）（具体说明每个课题的主要研究内容、目标、承担单位、课题负责人及主要学术骨干、经费比例等）1，基于

5、量子结构的新型量子器件（电子、光电子、光子）研究内容：1).量子结构、量子器件中的物理过程2).基于低维量子结构的长波长微腔增强型可调谐的探测器及其列阵3).日光盲紫外探测器及其列阵4).利用量子点固体微腔的新型光电子器件5).RTD触发器电路6).光子存储器件研究目标：1).研制1.06mm微腔增强型可调谐的探测器及其8?8列阵2).研制日光盲紫外探测器及其列阵（探测率0.1A/W，8?8列阵）3).研制光子存储器件（中心波长1.041.06mm）4).研制RTD 微波毫米波超高速分频器集成电路5).发表论文50篇左右，申请专利15项左右承担单位：中院半导体所，信息产业部电子第13研究所课题

6、负责人：郑厚植院士，宋马成研究员主要学术骨干：杨辉，游建强，田国平，王文君，王俊华经费比例：182，半导体中的自旋过程和自旋量子器件研究内容：1).建立TRFR实验手段，实现对电子自旋态进行相干探测2).自旋量子态的纠缠、退相干效应3).半导体自旋电子、光电子器件原理研究目标:1).构建时间分辨 Faraday 旋转设备，解决时间分辨 Faraday 旋转微弱信号的探测问题2).深入进行基础理论和物理模型研究，探索新型自旋量子器件的原理3).发表高质量论文80篇左右，申请专利10项左右承担单位：中科院半导体所超晶格国家重点实验室课题负责人：吴晓光研究员主要学术骨干：夏建白，徐仲英，常凯，姬扬经

7、费比例：103，SPM技术和分子、团簇器件的原理探索研究内容：1).低维量子结构物理性质的SPM探测（如库仑阻塞、反常电导和塞曼效应等）2).纳米量子结构的局域功函数和表面电导测量3).单分子、团簇光电分子器件原理4).单分子、团簇的磁性性质制备光存储原理研究目标：1).制备出量子点/团簇和量子线两维阵列，研制自旋极化扫描隧道显微镜/谱2).研制成功接近实用固体燃料太阳能电池3).实现具有开关和放大特性的单分子或团簇原型器件4).实现单团簇纯库伦阻塞单电子开关原型器件5).发表论文160篇左右，申请专利20项左右承担单位：中科院物理所表面物理国家重点实验室，中科大学理化科学中心课题负责人：贾金

8、峰研究员侯建国教授主要学术骨干：白雪冬，孟庆波，徐立坊，王兵经费比例：204，固态量子电路的基础研究研究内容：1).单电子器件及其电路研究2).量子模拟逻辑和量子神经网基础研究3).量子结构在量子比特上的应用探索4).固态量子比特的物理方案和计算机模拟研究目标:1).研制不同结构的室温单电子晶体管2).研制77K单电子存储器3).利用耦合量子点设计出相干性较好的qubit4).发表论文100篇左右，申请专利25项左右承担单位：中科院物理所，中科院半导体所超晶格国家重点实验室课题负责人：李树深研究员王太宏研究员主要学术骨干：李新奇，吴南健经费比例：105，新材料体系在量子结构、量子器件中的应用研

9、究内容：1).三维Si/SiGe量子点阵列的光学、电学特性及正入射红外探测器列阵器件2).硅基量子点LED、微腔器件3).声子辅助硅基量子点光放大原理器件研究目标:1).制备高质量硅基微结构材料，获得硅基高效发光器件2).研制出量子点正入射红外探测器阵列和量子点发光管3).发表论文160篇左右，申请专利20项左右承担单位：复旦大学物理系，南京大学物理系课题负责人：陆昉教授施毅教授主要学术骨干：蒋最敏，黄大鸣，周仕明，顾书林，周进，张志勇经费比例：206，红外量子器件研究内容：1).多波长、光谱型、光电光转换和室温红外焦平面列阵2).高增益、低噪声雪崩光电二极管和红外单光子探测器探索3).长波长

10、微腔面发射激光器4).微腔增强型探测器研究目标:1).研制成性能优良的红外焦平面阵列器件，并实现红外凝视成象2).提出室温焦平面阵列等新型器件模型，并制备原型器件。3).研制出高T0（大于110K）长波长无制冷边发射激光器4).研制出室温连续激射长波长垂直腔面发射激光器5).发表论文50篇左右，申请专利10项左右承担单位：中科院上海技物所，中院半导体所课题负责人：褚君浩研究员牛智川研究员主要学术骨干：何力，戴宁，陈效双，李国华经费比例：22课题1是利用受限电子、光子体系特异性能研制新型量子器件，课题2是通过控制量子结构中的电子自旋，发明和开发全新的自旋电子、光子器件，课题3是借助SPM技术发明

11、和开发分子、团簇层次的量子器件，课题4是对量子态波函数的相干控制探索固态全量子化电路，课题5突出新材料体系的量子结构和量子器件，课题6突出红外波段量子器件。因此，整个项目函盖了不同层次的量子器件的基础。各个课题组或者从理论、物理、器件、先进技术不同的侧面，或者选择不同的量子体系，围绕量子物理与信息科学交叉时所出现的重大科技问题开展协同研究，彼此既有关联、又有各自主攻的科技目标。2.后三年调整方案除一、二所做的调整外，其余均保持不变。调整后，电子工业部第13研究所不再列入承担单位。其他承担单位和主要研究队伍基本不变，详见下述二个表格。二、研究目标1.项目计划任务书原定内容总体目标： 1，抓住量子

12、物理与信息科学交叉时所呈现出的重大机遇，提高研制具有新概念、新原理的电子、光电子器件的创新能力，从最基础的层面上提升我国电子、光电子、光子信息技术的原创性知识产权的含量。 2，迎接信息载体从经典向量子范畴跨越的挑战、开辟出新一代的量子电子、光电子器件，增强我国IT技术在新世纪的发展后劲，赢得超常规发展的机遇。 3，将国内低维量子结构物理的研究带入更深层次的波函数工程研究阶段，跻身最新科学前沿。五年目标：1，作为本项目的研究重点和主攻目标，五年内，在量子器件和量子集成技术方面争取取得如下标志性成果：探测巡航导弹1.06m辐射的微腔增强型可调谐探测器8×8列阵（中心波长1.06m，探测半

13、宽15nm，量子效率40，暗电流10-12Am，探测率109cmHz12W-1，响应时间10 nS）用于空间预警的8×8日光盲紫外探测器列阵（探测率0.1A/W）研制出航天航空遥感用的128×128元红外焦平面列阵的原型器件实现红外凝视成像，探测率5×109cmHz12W-1研制出用于雷达、电子对抗用的40GHz RTD触发器电路为光局域网络通信提供新的、低价位的1.3m微腔激光发射器件：GaInNAS微腔激光器（阈电流10mA，阈电压3V，调制速率2.5Gbit/s）。2，在量子理论及原创性成果方面，争取取得5项以上有重要国际影响的创新研究成果，五年发表高水平论文800篇以上，其中23为SCI收录论文，并争取申报100项左右的专利。3，作为一般性探索，4，加强下述大部分的原理器件的研制工作：正入射硅基量子点红外探测列阵器件（波长1.31.5mm，量子效率20）利用三维周期性排列光学微腔的新型高