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。     

多孔硅发光中的极化子效应

多孔硅体现了许多新光学性质，本文通过温度依赖的发光，傅立叶红外谱，时间分辨红外谱的观察。发现了些有规律的信息。众所周知，多孔硅在空气中陈化氧化，导致内部纳米尺寸减小。界面层由氢变为氧，我们发现同时伴随着电子态从本征态向极化子态的变化，前者随尺寸减小能量升高，表现为正常的量子限域效应。而后者却随尺寸减小能量降低。表现为量子限域极化子效应。温度依赖的发光谱型和强度变化也清楚地反映了尺寸依赖的极化子行为。因此，我们提出了个基本的物理模型来描述多孔硅中增强的极化子尺寸效应及其光学行为。     

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.     

进入纳米时代的CMOS设计

本论文着重论述未来ＣＭＯＳ进入纳米尺寸的关键挑战，如电源电压和阈值电压减小、短沟效应、量子效应、杂质数起伏以及互边线延迟等影响。分析了纳米ＣＭＯＳ器件结构的设计，讨论了用于纳米尺寸的新型器件结构，包括ＳＯＩ ＣＭＯＳ、册和环栅ＭＯＳＦＥＴ、凹陷沟道ＭＯＳＦＥＴ、动态阈值ＭＯＳＦＥＴ以及低温ＣＭＯＳ，它们可能把我们带到硅器件设计的最远极限。     

微成形中尺寸效应研究的进展

微纳米尺度下微细工件塑性变形中会出现尺寸效应,即随着工件尺寸的减小材料的应力应变关系、塑性成形性能和摩擦系数等成形工艺参数呈现出与常规尺寸工件的塑性变形不同的特点,对于尺寸效应的研究是微成形工艺研究的基础.本文首先综述了实验观察到的各种尺寸效应现象,如随着晶粒尺寸的减小塑性变形机理发生变化,从而导致Hall-Petch关系的变化.然后,介绍了为描述材料应力应变关系中出现的尺寸效应而提出的各种材料模型,其中考虑表面层晶粒体积分数、工件尺寸与晶粒尺寸的比值、应变梯度等因素的影响对经典塑性塑性力学模型进行的修正可以从现象学的角度描述尺寸效应,而基于位错运动、统计存储和几何必须位错密度的演化、晶界滑动等塑性变形机理的的本构模型,不仅能更准确地描述尺寸效应等塑性变形行为,而且能更深入地揭示尺寸效应的物理本质.另外,对于尺寸因素与极限应变的关系和摩擦中呈现的尺寸效应研究也进行了介绍.     

用于TEM原位拉伸实验的集成单晶硅纳米梁MEMS测试芯片研究

透射电镜内的原位拉伸测试是研究纳米尺度的单晶硅材料的力学性质的一种很有发展前景的研究方法．开展了集成单晶硅纳米梁的微电子机械系统测试芯片的设计、制作,并完成了原位拉伸的测试实验．集成的微电子机械系统芯片由基于静电梳齿结构的驱动器、测力悬梁、单晶硅纳米梁及电子束透射窗等结构构成．利用SOI硅片和普通硅片采用体硅微加工工艺及硅键合工艺加工完成了芯片制造．通过透射电镜样品杆上的电极与微电子机械系统芯片导通,实现了对静电梳齿结构的驱动,完成了与其相连的单晶硅纳米梁的拉伸观测．对此微电子机械系统芯片的测试实验结果表明,随着驱动电压的增加,单晶硅纳米梁逐渐被拉动,原位拉伸实验得到了该纳米梁的应力．应变关系,对实验结果拟合后得到杨氏模量值为161GPa,在误差范围内与体硅一致．     

超低介电常数材料和多孔SiOCH薄膜

集成电路的特征尺寸将降低到0．1μm，这时器件内部金属连线的电阻和绝缘介质层的电容所形成的阻容造成的延时、串扰、功耗已经成为限制器件性能的主要因素。目前集成电路的金属连线价质层材料为铝／二氧化硅配置，用电阻更小的铜取代铝作金属连线，用低介电常数(低K)材料取代二氧化硅作介质层成为科学意义重要、应用价值巨大的研究课题，微电子器件正经历着一场材料的重大变革中。本文着重评述了纳米尺度微电子器件对低介电常数(低k)薄膜材料的要求，介绍了多孔硅基低k薄膜的研究进展。     

RC梁-柱中节点核心区剪切破坏及尺寸效应数值分析

钢筋混凝土梁-柱中节点核心区剪切破坏具有脆性特征,因而其抗剪强度可能存在尺寸效应.在已开展的物理试验研究基础上,采用数值试验方法扩展讨论了结构尺寸(节点最大截面尺寸为900 mm×900 mm)、轴压比和体积配箍率对钢筋混凝土梁-柱中节点破坏机制与失效模式的影响,并揭示了它们对剪切强度尺寸效应的影响规律.研究结果表明:(1)单调加载下,梁-柱中节点展现为核心区的脆性剪切破坏,名义剪切强度具有明显尺寸效应;(2)轴压比的增大可提高中节点的抗剪承载力,同时强化了剪切强度的尺寸效应;(3)体积配箍率的增大将增强节点的抗剪承载力,但会削弱剪切强度的尺寸效应.此外,经典的Ba?ant材料层次尺寸效应律可描述中节点剪切破坏的尺寸效应行为,但其无法描述轴压比与配箍率的定量影响.     

半导体技术发展限制及其逻辑发展趋势

本文从半导体微电子技术的发展轨迹与限制讨论中,分析了微电子技术生命周期,并沿着上述脉路,指出了半导体技术将在尽力逼近其限中,不断增长高密度嵌入设计水平,不断扩展跨学科横向应用,并最终进入技术平台期,等待新的突破。     

美开发出新型省电晶体管

美国国际商用机器公司(IBM)前些日宣布,首次成功利用“绝缘体上硅”技术设计出硅锗双极晶体管,它的速度达到现有硅锗双极晶体管的4倍,能耗比后者降低80％,有望用于制造下一代高性能移动电话等设备。 IBM公司发布的新闻公报介绍说,该公司研究人员当