苏州纳米所在半导体超晶格研究领域取得进展

　　超晶格概念自1970年一提出，就被认为是半导体物理领域一个具有里程碑意义的进展，在上世纪80年代和90年代成为半导体物理十分热门的研究领域。超晶格中微带输运和量子阱之间的级联共振隧穿会导致负微分电导效应，这使得超晶格成为一个理想的具有多个自由度的非线性系统。许多与空时非线性效应相关的物理现象都能在超晶格中观测到，如静态电场畴、周期性自激振荡、自发混沌振荡等。一直以来，这些现象都只能在液氮温区以下的低温环境才能观测到，严重地限制了超晶格器件的进一步研究和实用化推广。这是近年来半导体超晶格研究领域变得十分冷清的主要原因。

　　中科院苏州纳米技术与纳米仿生研究所张耀辉研究员带领的研究团队采用夏建白院士早年的理论计算结果[Phys. Rev. B, 41, 3117 (1990)]，通过优化超晶格材料组分、器件结构和器件制备工艺，在中科院半导体所马文全研究员的分子束外延设备上生长出所设计的GaAs/AlGaAs半导体超晶格结构，并首次在室温下观测到了超晶格的自发混沌振荡[Chinse Science Bulletin, 57, 2070 (2012)]，并且观测到了室温下超晶格的准周期自激振荡 [Appl. Phys. Lett., 102, 242107 (2013)]，首次在自治非线性系统(不含随时间变化驱动的系统)实验发现了准周期自激振荡，过去即使在低温环境下都没有观测到过的物理现象。这是自1996年在液氦温区发现超晶格自发混沌振荡以来的重大突破，为超晶格器件的进一步研究和实用化推广铺平了道路。

　　以上述室温环境发现的基本物理现象研究为基础，张耀辉研究员团队研制出超晶格自发混沌振荡器。该器件在室温下带宽能达到几百MHz甚至GHz以上，振荡幅度能达到0.4伏，器件的直流偏置电压不到5伏，功耗低，是非常理想的物理噪声源，可用于开发高速真随机数发生器。在此基础上，张耀辉研究员团队通过与以色列Bar-Ilan大学物理系Kanter教授团队合作，利用超晶格混沌振荡器作为宽带物理噪声源，采用数字信号处理的方法研制出能实用化的高速真随机数产生器系统，速度可达80Gbits/s，随机性通过了美国国家标准局所提供的标准要求测试，此研究结果7月26日在Physical Review Letter杂志上以Highlight形式发表[Phys. Rev. Lett. 111, 044102 (2013)]，同时美国物理学会网站主页的Physics栏目对此以Rapid-Fire Random Bits为标题作了专门介绍。

　　这种高速真随机数发生器是基于超晶格混沌振荡通过高速模数转换器，直接把大信号噪声转换成数字信号来形成，随机数的质量可以通过后续的数字信号处理来保障，与其它类型的物理噪声源(如激光混沌、单光子噪声、碰撞电离二极管等)相比，具有系统简单、速度快、体积小、功耗低、成本低、对环境变化不敏感而耐干扰、易于与主系统兼容集成等优点。苏州纳米所的超晶格混沌真随机数发生器已达到实用化水平，正在进行实用化推广。

　　该项研究得到了国家自然科学基金委及江苏省科技厅的项目支持。

图一：室温自发混沌振荡信号的频谱图，内置为100ns时长的信号时域图。

图二：周期振荡(A)，中间状态(B)和准周期振荡(C)时域图(a)及频谱图(b)。