SOI光波导器件和集成光开关矩阵的研究进展

SOI(Silicon-on-insulator, 绝缘衬底上的硅)是一种折射率差大、波导传输损耗小的新型材料, SOI基光电子器件具有与微电子工艺兼容、能够实现OEIC单片集成等优点, 近年来受到越来越多的重视. 文中重点研究了SOI波导器件的新进展, 采用高效数值模拟方法研究得出了精确的SOI矩形和梯形大截面脊形波导的单模条件, 设计和制作了单模脊形光波导、多模干涉耦合器(MMI)、可变光衰减器(VOA)、马赫-曾德尔干涉型2×2热光波导光开关, 在此基础上首次研制出4×4和8×8 SOI平面集成波导光开关矩阵.     

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.     

硅量子点双势垒存储结构及其编程机制的研究

采用等离子体化学气相沉积(PECVD)及热退火方法制备了含硅量子点的Si Cx薄膜.透射电子显微镜(TEM)观测表明Si Cx薄膜中生长了大量硅量子点.制备了含Si Cx薄膜包裹硅量子点的双势垒存储器结构.TEM观测表明,采用上述工艺成功制备了Si3N4/Si Cx薄膜/Si-QDs/Si Cx薄膜/Si O2双势垒结构的存储器结构.利用硅量子点的库伦阻塞效应及量子限域效应,从理论上分析了双势垒硅量子点存储器的编程机制,建立了双势垒存储结构阈值电压漂移模型,模拟仿真表明双势垒存储器的阈值电压漂移要大于单势垒存储器,编程速度更快.存储结构C-V特性测试表明,样品在扫描栅压为±12 V时有10 V左右的存储窗口,证明双势垒存储结构具有良好载流子存储效应.     

高性能高应变InGaAs量子阱脊型波导半导体激光器

介绍了利用分子束外延系统生长高应变InGaAs量子阱半导体激光器材料, 采用脉冲阳极氧化技术制作脊型波导半导体激光器. 4 μm条宽脊型波导半导体激光器在室温下单面连续输出功率达到50 mW. 腔长600 μm时, 器件阈值电流密度为300 A/cm2. 在100 mA电流下, 激光器的峰值波长为1.19 μm, 激光器的最大斜率效率为0.45 W/A. 在20℃至100℃温度下, 激光器的特征温度为129 K.     

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.     

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.     

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.     

基于二维材料的压电光电子学器件

二维(2D)材料由于原子级超薄、可调带隙和优异的光电性质,在柔性光电子学领域有着巨大的潜力.利用应变诱导的压电势或压电极化电荷可以调控二维材料界面载流子的传输和光电过程,这种将压电、半导体特性、光激发三者耦合产生的压电光电子学效应推动了新型二维材料光电器件的开发,特别是压电光电子学增强的光电探测、光电化学、气体传感和太阳能电池等方向.本文简要综述了近年来二维材料在压电光电子学领域取得的研究进展,并对这一新兴领域未来的挑战和科学突破进行了展望.     

一项值得重视的低压低功耗超高速集成电路技术--TFSOI技术

本文详细地分析了薄膜SOI器件的特性并指出该器件的许多特性是其固有的。这些特性使得SOI技术对于高可靠、低压、低功耗、高速系统具有极大的吸引力。同时,该技术也适用于千兆位DRAM、片上系统、以及抗辐射加固电路、微电子机械系统、模拟／混合信号电路、智能功率集成电路、便携式通讯系统、高温电子学和量子器件等。因此,SOI技术可能成为21世纪最具竞争力的半导体集成电路技术。     

类石墨烯材料中电子拓扑性质的研究进展

外场调控是实现高性能多功能量子器件的有效途径。本文综述单双层石墨烯、锗烯、二硫化钼等类石墨烯材料在强自旋轨道耦合、铁磁或反铁磁场、超导近邻效应等联合竞争作用下,通过调节电场、应变场以及偏振光场等产生的新奇拓扑量子效应,包括量子自旋Hall效应、量子反常Hall效应、拓扑超导效应等,并进一步深入介绍拓扑型场效应晶体管的开发和设计。根据目前拓扑性质研究和实验进展情况判断,易规模化生产的类石墨烯材料对未来高性能低功耗量子器件走向应用而言,是非常有前景的候选材料。