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.     

微纳机电系统(MEMS/NEMS)前沿

微纳机电系统(MEMS/NEMS)将处理热、光、磁、化学、生物等结构和器件通过微电子工艺及其他一些微加工工艺制作到芯片上,并通过与电路以及相互之间的集成来构筑复杂的微型系统.由于微纳机电系统具有高度的交叉性与渗透性,而使其研究和发展呈现出多样性.本文立足于微纳机电系统与集成电路的交叉,侧重讨论微纳机电系统与CMOS集成电路的集成、微纳机电系统技术与纳米技术的融合,以及与现代生物技术的交叉,就一些典型的器件与工艺,介绍一些前沿发展和趋势.     

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.     

纳米CMOS工艺下集成电路可制造性设计技术

简要讨论纳米CMOS工艺下集成电路的可制造性设计（DFM）技术.首先讨论纳米CMOS中与制造性有关的工艺和器件问题,然后探讨DFM需要的工艺和器件建模工作.最后对包括有可制造性设计技术的集成电路设计流程和能较好地在大规模集成电路设计环境中开发设计/制造交互界面的有关EDA做简单介绍.     

纳米级电子束光刻技术及ICP深刻蚀工艺技术的研究

对100kV高压电子束光刻系统的曝光工艺进行了系统研究,针对正性电子束抗蚀剂ZEP520A进行了工艺参数的优化,在具有合理厚度、可供后续加工的光刻胶上获得了占空比为1：1,线宽为50nm的光栅图形.针对ICP刻蚀工艺进行了深入研究,探讨了刻蚀腔体气压、电极功率、气体流量等工艺参数对刻蚀效果的影响,最终在硅基底上获得了线宽为100nm,占空比为1：1,深度为900nm的光栅图形,光栅的边壁波纹起伏小于5nm.100nm以下深硅刻蚀技术的发展,有利于工作区域在可见光范围的纳米光学器件的制备.     

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.     

碳基储氢材料的研究进展

氢能是二十一世纪解决化石能源危机和缓解环境污染问题的绿色能源.实现氢能的利用,氢的储运是目前要解决的关键问题.储氢材料研究较多,碳基储氢材料是储氢材料中的一个重要分支.本文综述了碳纳米管、碳纤维、石墨、活性炭以及C<,60>等碳基材料的储氢性能及研究进展,讨论了各种碳基储氢材料目前存在的问题,并对其进一步研究进行了展望.     

面向21世纪的微电子技术

本文对21世纪微电子技术的发展趋势作了一个展望。本文认为21世纪初的微电子技术仍将以硅基CMOS电路为主流工艺，但将突破目前所谓的物理“限制”，继续快速发展；集成电路将逐步发展成为集成系统；微电子技术将与其他技术结合形成一系列新的增长点，例如微机电系统（MEMS）、DNA芯片等将得到突飞猛进的发展。具体地，超微细光刻技术、虚拟工厂技术、铜互连及低κ互连绝缘介质、高κ栅绝缘介质、SOI技术等将在近几年内得到快速发展。21世纪将是我国微电子产业的黄金时代。     

微纳尺度3D打印

复杂三维微纳结构在微纳机电系统、生物医疗、组织工程、新材料、新能源、高清显示、微流控器件、微纳光学器件、微纳传感器、微纳电子、生物芯片、光电子和印刷电子等领域有着巨大的产业需求,然而现有的各种微纳制造技术无论从技术层面还是在生产率、成本、材料等方面还难以满足高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构的工业级应用的需求.高效、低成本批量化制造复杂三维微纳结构(尤其是大面积复杂三维微纳结构)一直被认为是一项国际化难题,也是当前国际上学术界和产业界的研究热点,以及亟待突破的瓶颈问题.微纳尺度3D打印(微纳结构增材制造)在复杂三维微纳结构、高深宽比微纳结构以及复合材料三维微纳结构制造方面具有突出的潜能和优势,而且还具有设备简单、成本低、可使用材料种类多、无需掩模或模具、直接成形的优点.微纳尺度3D打印被美国麻省理工学院(MIT)的《技术评论》列为2014年十大具有颠覆性的新兴技术.本文论述了近年国际上微纳尺度3D打印重要的研究进展和代表性研究成果,微纳尺度3D打印典型重大应用,阐述了微纳尺度3D打印当前面临的挑战性问题,并探讨了微纳尺度3D打印未来的应用前景和发展方向及趋势.为深入开展微纳尺度3D打印、增材制造和微纳制造的科学研究和工程化应用提供一定的借鉴和参考作用.     

未来芯片技术发展态势分析

半导体集成电路是现代信息产业的基石,但主导其发展的摩尔定律正遭遇物理学和经济学双重限制,致使传统的硅基电子技术临近发展极限,亟需采用新型芯片技术推动未来信息产业持续蓬勃发展。各国政企积极布局一系列未来芯片技术,抢占国际半导体技术战略制高点。本文梳理了一批主要未来芯片技术,剖析了这些芯片技术的当前发展现状、所处的成熟度阶段和市场应用前景。最后,对我国未来芯片技术的发展提出了建议,以期为我国相关研究工作提供参考。具体建议包括制定未来芯片技术发展规划,打破国外垄断格局;梯次推进未来芯片技术发展,平衡新技术发展面临的机遇与风险;重点推动存内计算技术研发和商业化,缓解我国芯片技术卡脖子问题。     

多孔硅反射镜基有机微腔器件的微结构和光电特性研究

从微结构和光电特性方面研究了一种新型硅基微腔的有机发光器件(SBM-OLEDs): 硅基多孔硅分布Bragg反射镜(PS-DBR)/SiO₂/ITO/有机多层膜/LiF/Al(1 nm)/Ag. 微腔器件的重要组成部分PS-DBR由低成本、高效率的电化学腐蚀方法制备. 场发射扫描电子显微图清晰显示: SBM-OLEDs具有纳米级层次结构和平整的界面. PS-DBR反射谱的阻止带宽160 nm, 且反射率达99%. SBM-OLEDs的反射谱中出现了标志此结构为微腔的共振腔膜. 在绿光和红光波段, 从SBM-OLEDs中都得到了改进的电致发光(EL)谱: 绿光(红光)EL谱的半高宽可由无微腔的83 nm (70 nm)窄化为有微腔时的8 nm (12 nm), 且为单峰发射, 微腔器件EL谱的色纯性有较大提高. 与非微腔器件相比, 发绿光和发红光的微腔在谐振波长处EL的强度分别增强了6倍和4倍. 对微腔器件的电流-亮度-电压(I-B-V)特性和影响器件寿命的因素也进行了讨论.     

FAD非晶金刚石薄膜的场电子发射性能研究

利用真空磁过滤弧沉积(FAD)技术制备得到了无氢的非晶碳膜.由于非晶碳膜中数量极高的四面体键(sp~3键)的存在,这种非晶碳膜也可被称作非晶金刚石薄膜.报道了这种非晶金刚石膜的场电子发射特性,并对其能带结构和发射机理进行了研究.实验结果表明,在阈值电场为15V/μm的情况下,测得的场发射电流超过20μA,薄膜的电子发射行为符合Fowler-Nordheim场发射理论.非晶金刚石膜具有负电子亲合势和较小的有效功函数.如此低的阈值电场和高的发射电流,表明这种非晶金刚石薄膜的场电子发射性能已达到甚至超过目前文献上报道的最好结果,为非晶金刚石膜作为场发射材料在平板显示器等真空微电子器件中的实际应用提供了可能性     

基于原子力显微镜的阳极氧化技术及其在碳纳米管氧化切割与焊接中的应用

探针阳极氧化是构建纳米结构，制造纳米器件的重要技术之一，本文对该技术中基于原子力显微镜（AFM）的阳极氧化进行了新的研究．通过对氧化加工中微观电场在基底表面分布情况进行模拟，分析了氧化结构的特征与电场分布的关系，通过实验研究分析了不同加工因素对氧化加工的影响．在这些研究基础上利用AFM阳极氧化技术实现了对碳纳米管（CNT）的氧化切割及焊接，为CNT基纳米器件的装配及制备提供了新的技术途径．     

固体-固体摩擦起电中电子转移研究进展

摩擦起电是指两个材料接触或摩擦后,电荷从一个材料表面转移到另一个材料表面的现象,距其被发现至今已有2600年的历史.然而,摩擦起电的机理却长期处于争论之中,其争论的核心是摩擦起电的载流子类型是电子、离子还是材料碎屑.最近,相关研究以摩擦纳米发电机和开尔文探针力扫描显微镜为手段,探索了固体-固体界面电荷转移的基本原理.研究结果表明,电子是固-固界面摩擦起电的主要载流子,发生电子转移的条件是两个原子的电子云发生重叠.本文主要阐述电子作为转移电荷主要载体的实验依据,对新提出的摩擦起电物理模型进行了解读.     

电力电子学中的脉冲功率瞬态过程及其序列

在电力电子变换器应用过程中, 经常出现各种形式的失效和损坏. 实践表明多数的损坏与瞬态能量过于集中有关. 针对电力电子变换器的物理特征, 从电磁能量变换的角度提出脉冲功率及其序列是电力电子变换技术的基础的观点. 分析了电力电子装置中的开关器件、导电电路和控制系统中的脉冲功率瞬态过程, 并以在高压大容量样机中的试验中发现的一些脉冲现象为基础予以阐释. 基于电力电子学中的脉冲功率瞬态过程研究, 对于解决电力电子装置中出现的器件失效、装置损坏等问题具有极为重要的理论和实际应用意义, 并将成为今后电力电子领域内的一个重要的研究方向.     

一步法制备核壳结构的碳纳米管

采用微波辅助多元醇还原法一步制备了纳米镍和包覆镍的多壁碳纳米管.利用拉曼光谱仪、透射电子显微镜、X 射线衍射仪和振动样品磁强计等测试手段对产物的拉曼光谱、形貌、物相和磁性进行分析. 结果表明, 当有黑色悬浮物镍出现, 继续反应, 由于镍金属的微波涡流效应产生的电火花, 可合成碳纳米管. 研究发现, 所制备的碳纳米管是多壁的, 管径约为18~20 nm. 该镍/碳纳米管核壳结构的磁滞回线有别于单一的纳米镍.     

陶瓷颗粒(纤维)增强聚合物复合电子封装与基板材料

本文论述了陶瓷颗粒(纤维)增强聚合物基复合电子封装与基板材料体系和性能特点,介绍了复合基板材料的实验研究和理论研究进展情况,根据实验研究和文献报道并结合目前在微电子封装领域广泛应用的环氧塑封材料,对复合电子封装与基板材料的发展趋势进行了分析和评述。     

压电光子学效应及其应用

近年来,压电光子学作为一个新兴的研究领域吸引了学者们的广泛关注.压电光子学效应是压电半导体的压电极化和光激发的耦合,是利用应变诱导的压电极化调控材料能带结构进而控制电子-空穴的复合发光过程.压电光子学效应为新光源、智能触觉传感和机械光子学等重要技术提供了研究基础,尤其结合第三代、第四代半导体材料同时具有压电效应和半导体特性的优势,有望实现高性能的力-致发光器件.本文简要介绍了压电光子学效应的基本原理、材料体系以及压电光子学器件的研究进展,并对这一学科的未来发展进行了展望.     

以DNA为模板构筑纳米材料与分子器件

Moore定律正面临着挑战,即以硅材料为基础的集成电路元件尺寸正接近它的极限。而分子电子学有望作为一种解决的方案,替代硅电子学来构建更小的分子集成电路。DNA,以其独特的纳米尺度、分子线性结构、物理化学稳定性、力学刚性、自我识别能力以及自组装等优势,正逐步应用于分子电子学的各个领域。研究表明,DNA导电性存在着争议,而在此基础上以DNA为模板构筑纳米材料及分子器件正成为一个新的研究热点。本文在大量文献的基础上试图对以DNA为模板构筑分子导线、分子晶体管、分子计算机以及分子阵列等纳米材料及分子器件进行较为详细地归纳和总结,并对存在的问题和应用前景进行了分析和预测。     

单晶硅基底上制备定向生长碳纳米管阵列的研究

采用热化学气相沉积技术在单晶硅基底上制备出了定向性好、与基底结合牢固的碳纳米管阵列, 研究了制备工艺对定向生长碳纳米管阵列薄膜的影响. 研究发现: 生长温度在750℃, 催化剂厚度在10 nm左右易于形成定向生长的碳纳米管薄膜. 在混合气中乙炔的浓度为27%(体积百分比)时, 可以获得管型准直、管壁较厚、与基体结合牢固的碳纳米管阵列. 另外, 对于碳纳米管的定向生长机制及提高其与基体之间的结合力的方法进行了初步探讨.