新型SINP硅蓝紫光电池的研究

本研究中,采用以下主要步骤:先在p-型Si的绒面上,进行磷扩散形成同质p-n结,再低温热氧化生长超薄SiO2层,然后利用射频磁控溅射沉积ITO减反射/收集电极膜,成功制备了一种新型ITO/SiO2/np晶硅SINP结构蓝紫光电池.通过X-光衍射(XRD)、扫描电镜(SEM)、紫外-可见光透射谱(UV-VIS),以及霍尔效应(Halleffect)测量方法,表征了高质量ITO薄膜的微结构、光学与电学特性.并重点对SINP结构光电池的光谱响应和I-V特性,进行了详细地计算和分析.结果表明,具有蓝紫光以及其它可见光波段的光谱响应和光电转换的增强效果,是该器件的主要特征.其较高的短路电流密度,适合于发展成为新型结构的硅基太阳能电池.     

氢稀释对非晶硅碳(a-SiC:H)合金薄膜生长和光学特性的影响

用PECVD方法, 以固定的甲烷硅烷气体流量比([CH₄]/[SiH₄] = 1.2)和不同的氢稀释比(R_H = [H₂]/[CH₄+SiH₄] = 12, 22, 33, 102和135)制备了一系列的氢化非晶硅碳合金(a-SiC:H)薄膜. 运用紫外-可见光透射谱(UV-VIS)、红外吸收谱(IR)、Raman谱以及光荧光发射谱(PL)测量研究了氢稀释和高温退火对薄膜生长和光学特性的影响. 实验发现氢稀释使薄膜光学带隙展宽(从1.92到2.15 eV). 高氢稀释条件下制备的薄膜经过1250℃退火后在室温下观察到可见光发光峰, 峰位位于2.1 eV. 结合Raman谱分析, 认为发光峰源于纳米硅的量子限制效应, 纳米硅被Si-C和Si-O限制.     

Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn/Ta自旋阀多层膜中Cu的层间偏聚及其对磁性的影响

实验结果表明Ta/NiFe/FeMn/Ta多层膜的交换耦合场H^ex要大于Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn/Ta自旋阀多层膜中的H^ex. 为了寻找其原因, 用X射线光电子能谱(XPS)研究了Ta(12 nm)/NiFe(7 nm), Ta(12 nm)/NiFe(7 nm)/Cu(4 nm)和Ta(12 nm)/NiFe(7 nm)/Cu(3 nm)/NiFe(5 nm) 3种样品, 研究结果表明前两种样品表面无任何来自下层的元素偏聚, 但在第3种样品最上层的NiFe表面上, 探测到从下层偏聚上来的Cu原子. 认为: Cu在NiFe/FeMn层间的存在是Ta/NiFe/Cu/NiFe/FeMn/Ta自旋阀多层膜的H^ex低于Ta/NiFe/FeMn/Ta多层膜H^ex的一个重要原因.     

Sb2Te3纳米薄膜的ECALE法制备

研究了利用电化学原子层外延法(electrochemical atomic layer epitaxy, ECALE)在Pt电极上生长Sb₂Te₃化合物半导体薄膜热电材料的过程. 采用循环伏安扫描分别研究了Te和Sb在Pt衬底上以及在覆盖了一层元素之上的电沉积特性, 在此基础上使用自动沉积系统交替电化学沉积了400个Te和Sb原子层. 采用XRD, FESEM和FTIR等多种分析测试手段对沉积薄膜的结构、形貌、禁带 宽等进行了表征. XRD结果表明, 沉积物是Sb₂Te₃化合物, 与EDX定量分析和 电量计算结果吻合; FESEM对薄膜表面及断面形貌检测表明沉积颗粒排列紧 密、大小均匀, 平均粒径约为20 nm, 薄膜均匀平坦, 膜厚约190 nm; 由于沉积薄膜的纳米结构, FTIR吸收谱出现蓝移, 测得Sb₂Te₃薄膜禁带宽为0.42 eV.     

碳基纳电子材料与器件

现代信息技术的基石是集成电路芯片,而构成集成电路芯片的器件中约90%是源于硅基CMOS（complementary metal-oxide-semiconductor,互补金属-氧化物-半导体）技术.经过半个世纪奇迹般的发展,硅基CMOS技术即将进入14 nm技术节点,并将在2020年之前达到其性能极限,后摩尔时代的纳电子科学与技术的研究变得日趋急迫.目前包括IBM在内的很多企业认为,微电子工业走到8 nm技术节点时可能不得不面临放弃继续使用硅作为支撑材料,之后非硅基纳电子技术的发展将可能从根本上影响到未来芯片和相关产业的发展.在为数不多的几种可能的替代材料中,碳基纳米材料——特别是碳纳米管和石墨烯,被公认为是最有希望替代硅的材料.北京大学碳电子研究团队最新研究结果表明,在14 nm技术节点碳纳米管晶体管的速度和功耗均较硅基器件有10倍以上的优势,进入亚10 nm技术节点后这种优势还将继续加大.2013年9月,美国斯坦福大学研究组在《自然》杂志以封面文章的形式报道制造出了世界上首台碳纳米管计算机.2014年7月1日《MIT技术评论》报道IBM宣布由碳纳米管构成的比现有芯片快5倍的芯片将于2020年之前成型.基于碳纳米管的集成电路技术不再是遥不可及的梦想,现代信息科技与产业的支撑材料正加速从硅到碳进行转变.相较欧美发达国家在2020年之后的非硅基纳米电子学研究领域的巨额投入,我国对非硅基技术尚无布局.为抢占下一代半导体技术战略制高点,建议尽快启动国家碳电子计划,用一个协调的方式来支持包括材料生长、器件制备、模拟和系统设计方面的研究,汇聚优势资源,系统推进碳基信息技术的成型和发展,奠定中国未来的纳电子产业基础.     

GaAs衬底生长的立方GaN晶片键合技术

利用晶片键合技术通过多层金属膜成功地把立方相GaN LED结构键合到新衬底Si上, 并且利用湿法腐蚀技术去掉了原GaAs衬底. SEM和PL观察表明, 利用键合技术可以完整地把立方相GaN外延薄膜转移到新的衬底上而不改变外延层的物理和光学性质. XRD(S射线衍射)结果分析显示, 键合后的样品中出现了新的合金和化合物: AuGa₂, Ni₄N, 意味着用来作为黏附层和形成Ohm接触的Ni/Au膜与p-GaN形成了紧密的结合, 保证了金属膜与GaN层的牢固度和界面的小接触电阻, 成功地完成了键合, 为下一步以GaAs吸收衬底生长的GaN基器件的研制打下了基础.     

钴离子注入硅化钴的形成和微波功率管制备的特性

用大束流密度的钴金属离子注入硅能够直接合成性能良好的薄层硅化物. 束流密度为0.25~1.25 A/m², 注入量为5 × 10¹⁷ cm^-2. 用透射电子显微镜(TEM)和电子衍射(XRD)分析了注入层结构. 结果表明随束流密度的增加, 硅化钴相生长, 薄层硅化物的方块电阻R_S明显下降. 当束流密度为0.75 A/m²时, R_S明显地下降, 说明连续的硅化物已经形成. 当束流密度为1.25 A/m²时, 该值达到最小值3.1 W. XRD分析表明, 注入层中形成了3种硅化钴Co₂Si, CoSi和CoSi₂. 经过退火后, R_S进一步地下降, RS最小可降至2.3 W, 说明硅化钴薄层质量得到了进一步的改善. 大束流密度注入和退火后, 硅化钴相进一步生长, Co₂Si相消失. TEM对注入样品横截面观察表明, 连续硅化物层厚度为90~133 nm. 最优的钴注入量和束流密度分别为5 × 10¹⁷ cm^-2和0.50 mA/cm². 最佳退火温度和退火时间分别为900℃和10 s. 高温退火(1200℃)仍然具有很低的薄层电阻, 这充分说明硅化钴具有很好的热稳定性. 用离子注入Co所形成的硅化钴制备了微波功率器件Ohm接触电极, 当工作频率为590~610 MHz, 输出功率为18~20 W时, 同常规工艺相比, 发射极接触电阻下降到0.13~0.2倍, 结果器件的噪声明显地下降, 器件质量有了明显的提高.     

硅基光电子学研究进展与趋势

近年来硅基光电子材料和器件受到高度的重视.利用外延生长和键合技术成功研制出硅基应变赝衬底、GexSi1-x/Si量子阱、高密度锗量子点、硅基InGaAsP/Si异质结,这些进展为硅基光电子器件提供了坚实的材料基础.同CMOS工艺相结合,实现了硅量子点1.17 μm的受激发射,研制出硅基Raman激光器、1.55 μm混合型激光器、高灵敏度的Si/Ge探测器、谐振腔增强型的SiGe光电二极管、调制频率30 GHz的SOI CMOS光学调制器和16×16的SOI光开关阵列等.硅光电子学将在光通信、光计算等领域获得重要应用.本文综述了国内外硅基光电子材料和器件的进展、我们的研究结果和硅基光电子学的发展趋势.     

适于光子集成及光互连的回音壁微腔半导体激光器

介绍了正三角形和正方形微腔的类回音壁型模式特性,以及与输出波导连接的正三角形和正方形定向输出微腔激光器.实验表明正三角形微腔激光器作为光探测器应用具有共振增强的响应特性.提出了采用两个定向输出微腔激光器与硅上光波导连接实现芯片上的光互连的设想.     

C面蓝宝石上单一取向γ-LiAlO2层的生长研究

用气相传输平衡技术(VTE)在(0001)蓝宝石衬底上制备了单相的γ-LiAlO₂薄层. X射线衍射表明, 在适当的温度(1050~1100℃)条件下, 此γ-LiAlO₂薄层为高度[100]取向, 并通过扫描电子显微镜和透射光谱, 分析了影响薄膜质量的因素. 这一实验结果意味着有望通过VTE技术制备用于GaN基器件外延生长的γ-LiAlO₂(100)//Al₂O₃(0001)复合衬底.     

金属氯化物封端线性低聚磷嗪作为润滑剂的摩擦学行为研究

合成了一系列金属氯化物封端线性低聚磷嗪衍生物, 利用SRV摩擦磨损试验机评价了其作为润滑剂对钢/钢摩擦副的润滑效果. 结果表明, 合成的线性低聚磷嗪衍生物作为润滑剂的摩擦学性能与侧链取代基和金属离子密切相关. 所考察润滑剂的抗磨性能随着金属离子半径的增加呈现增强趋势, 但铁盐例外. 通过扫描电子显微镜和X射线光电子能谱仪观察分析了钢盘磨损表面的形貌和元素化学状态, 发现金属氯化物封端线性低聚磷嗪衍生物在摩擦过程中形成了由含有机氟化物、氮的氧化合物、Fe₃(PO₄)₂等组分的物理吸附膜和摩擦化学反应膜构成的复合润滑膜, 从而有效提高了抗磨减摩能力.     

Cl2/Ar/BCl3感应耦合等离子体GaN/Al0.28Ga0.72N的非选择性刻蚀

利用Cl₂/Ar/BCl₃感应耦合等离子体(ICP)刻蚀技术对GaN与Al_0.28Ga_0.72N材料之间的非选择性刻蚀和刻蚀以后GaN/Al_0.28Ga_0.72N异质结的表面物理特性进行了研究. 实验表明, 优化等离子体中BCl₃的含量(20%~60%), 提高ICP功率和直流偏压, 降低反应室压强有利于获得非选择性刻蚀. 而GaN/Al_0.28Ga_0.72N异质结刻蚀后的表面形貌与等离子体中的化学组分、反应室压强有密切的关系. 在Cl₂/Ar(4︰1)中加入20% BCl₃可以在较高的刻蚀速率条件下获得GaN和Al_0.28Ga_0.72N之间的非选择性刻蚀, 并将GaN/Al_0.28Ga_0.72N异质结刻蚀后的表面均方根粗糙度由10.622 nm降低至0.495 nm, 优于未刻蚀的GaN/Al_0.28Ga_0.72N异质结的表面. AES分析表明, 在刻蚀过程中从AlGaN的表面有效除去氧对获得非选择性刻蚀和光滑的刻蚀表面是至关重要的.     

纳米硅薄膜材料在场发射压力传感器研制中的应用

设计研制了一种基于量子隧道效应机制的场发射压力传感器原型器件, 用CVD技术制备了粒径为3 ~ 9 nm, 厚度为30 ~ 40 nm的纳米硅薄膜, 并同时把这种低维材料引入到传感器阴极发射尖锥的制作, 形成纳米硅薄膜为实体的发射体结构. 用HREM及TED分析了纳米硅态的显微特性, 用场发射扫描电子显微镜SEM分析了发射体及阵列的微观结构, 用HP4145B晶体管参数测试仪考察了传感器件的场发射特性. 实验结果表明, 当外加电场为5.6×10⁵ V/m时, 器件有效区域发射电流密度可达53.5 A/m².     

深亚微米纤锌矿相AlGaN/GaN MODFET输出特性的微分负阻效应

用全带组合Monte Carlo方法模拟了Al_0.15Ga_0.85N/GaN MODFET 的直流特性. 模拟器件的栅极长度L_g为0.2 μm, 沟道长度LDS为0.4 mm. 在模拟得到的I_DS-V_DS输出特性曲线中, 发现了微分负阻效应, 即V_GS为固定值时, 当V_DS逐渐增加, 并达到某一阈值时, I_DS会随着VDS的增大而减小. 对GaN体材料的速度-电场特性和对器件的二维电子气沟道内的电场和速度分布的分析表明, 沟道内电子平均漂移速度的负阻效应导致了输出特性的微分负阻效应, 二维电子气沟道内的瞬态输运对微分负阻特性也有一定影响. 这种效应只有在超短沟道MODFET中才能发生.     

C+Ti双注入钢中纳米抗腐蚀相的形成和抗腐蚀特性

C+Ti注入样品经过腐蚀和点蚀后用透射电子显微镜发现了抗腐蚀的丝状纳米相. 多重电位扫描法研究表明这种相具有抗腐蚀和抗点蚀特性,其腐蚀电流密度下降10～26倍. X射线分析表明这种相为直径10～30 nm的FeTi和FeTi₂相,这种相密集的镶嵌在注入层中,其长度大约为150～320 nm. 腐蚀后用扫描电子显微镜观察到密集的丝状的抗腐蚀和抗点蚀的纳米结构. 这种丝状纳米相是金属碳化物,这些相构成了具有优异抗腐蚀特性的钝化层.     

硅基光电子发光材料与器件

用光子作为信息载体的光互连是硅集成电路的发展趋势之一,而硅基光互连的实现,必须发展与当前集成电路制造工艺兼容的高效硅基光源.本文概述了近年来国际上硅基光源的主要研究成果,重点介绍了我们研究组在硅量子点、硅晶体缺陷、硅基氮氧化物薄膜和硅基氧化物半导体薄膜发光材料与器件等方面的研究进展.     

磁场直拉硅单晶生长

研究了磁场直拉硅单晶生长. 采用钕铁硼(NdFeB)永磁磁体, 向硅熔体所在空间引入Cusp磁场. 当坩埚边缘磁感应强度达到0.15 T时, 熔硅中杂质输运受扩散控制. 熔硅自由表面观察到明显的Marangoni对流; 硅单晶纵向、径向电阻率均匀性得到改善; 控制Marangoni对流, 可灵活控制硅单晶中的氧浓度. 把磁场拉晶同硅单晶的等效微重力生长联系起来, 推导出了引入磁感应强度和对应等效微重力等级的关系式: g=v₀/v_eff·g₀, 并针对坩埚的两种特征尺寸, 进行了直拉硅单晶等效微重力等级的计算.     

铋层状化合物Na0.5Ho0.5-xYbxBi4Ti4O15陶瓷材料的上转换发光、铁电、介电性能研究

采用传统的固相烧结法,制备了Na0.5Ho0.5-xYbxBi4Ti4O15铋层状结构陶瓷.经X射线衍射（XRD）表征,新合成材料为单相结构,且扫描电子显微镜下的表面和断面图像均为层状,说明合成材料为新型铋层状材料.室温时,在可见光波长范围内,有2个峰,分别为546 nm处的绿光峰和656 nm处的红光峰,分别对应于Ho3＋离子的5F4＋5S2→5I8和5F5→5I8跃迁.为研究其机理,测试了变功率条件下的发光强度,经计算,绿光和红光发射均为双光子过程.研究陶瓷样品在变温（-130~270°C）条件下的发光性能时,发现红光与绿光的强度比值与温度呈线性关系,该材料有望应用于光学温度传感器领域.经介电性能测试发现当Ho：Yb=1：9时,样品的居里温度为686.4°C.研究铁电性能发现当Ho：Yb=3：2时,剩余极化Pr为9.3μC/cm2,矫顽场强为Ec=82 k V/cm,表明具有一定的铁电性能.以上研究结果表明,制得的新材料是一种具有优异光学性能的多功能材料.     

MH-Ni电池中正极材料β-Ni(OH)2微结构的对比

微结构主要指微应变、微晶和堆垛层错, 它们都会引起X射线衍射线的宽化现象. 在总结前人工作的基础上, 提出并建立了分离微晶-堆垛层错二重、微晶-微应变-层错三重宽化效应的最小二乘方方法和相关的计算程序, 于是可分别计算出微应变(微应力)、微晶大小和堆垛层错几率. 用这种方法对不同来源的β-Ni(OH)₂原材料、普通MH-Ni电池活化前后和循环寿命试验前后的β-Ni(OH)₂、正极中加有Ca化合物的电池在循环寿命试验后β-Ni(OH)₂的微结构进行了对比分析和研究. 实验结果表明, 活化和循环充放电的影响是巨大的, 使微晶形状和尺度、微应变状态和堆垛层错几率都发生重大变化, 而且这些微结构参数与电池的电化学性能之间有一定的对应关系.     

磁性流体中纳米Fe3O4粒子包覆结构的研究

通过湿化学共沉淀法制备了高质量纳米Fe₃O₄磁性流体, 利用透射电子显微镜(TEM)和高分辨电子显微镜(HREM)对其结构进行了表征. 结果表明, 纳米磁性粒子粒径在8 ~ 10 nm, 最小4 nm, 属于超顺磁性范围. 纳米磁性微粒结晶完整, 晶界清晰, 表面活性剂对磁性微粒包覆良好, 在磁性微粒表面形成了均匀完整的球状无定形外壳. 研究表明, 表面活性剂包覆层对磁性微粒具有保护作用和稳定作用, 可提高和保持磁性流体的磁性能.