无机薄膜光栅的制备及其衍射特性研究

有效地结合激光干涉法和化学刻蚀法,提出一种制备高密度、高衍射效率无机光栅的新方法．采用溶胶．凝胶法和化学修饰法合成具有紫外感光性的含锆溶胶,并在（100）硅基板上制备含锆感光性凝胶薄膜．利用该薄膜,结合激光干涉技术和热处理工艺制备出周期为1μm的无机ZrO2薄膜光栅．为了提高光栅的深宽比,采用碘饱和的KOH各向异性刻蚀剂对无机光栅进行湿法化学刻蚀,从而有效地提高了光栅的衍射效率．对刻蚀后的光栅进行表面镀金处理,提高光栅的表面光洁度和反射率使得光栅的衍射效率得到进一步的提高．     

碱液刻蚀的多晶硅不同晶面微结构实验研究

多晶硅碱液刻蚀技术一直是多晶硅太阳能电池研究的关键性技术之一.在普通的碱刻蚀液中加入一种添加剂,在温度78~80°C之间刻蚀多晶硅表面20min,用SEM观察多晶体硅表面结构.在多晶硅表面上首次观察到了碱液刻蚀出的密集均匀分布的陷阱坑,只是样品不同晶面上的陷阱坑形貌稍有不同.[100]晶面上主要由纵横交错的致密的小硅山脉构成,小硅山脉之间存在长长的峡谷式的陷阱坑（沟）;[110]晶面上密布大量的畸变三角形陷阱坑或矩形坑（洞）;[111]晶面则分布蚯蚓状的陷阱坑.用积分反射仪测量了样品表面光反射率,在400~900nm波段平均反射率下降到20.5%.实验研究表明：添加剂能调节碱的刻蚀特性,经过添加剂调剂的碱液能在多晶硅表面刻蚀出具有良好陷光效应的绒面,添加剂调节的碱液刻蚀技术是一种有前途的多晶硅制绒技术.     

基于电喷印集成制造阵列化嵌金属电极柔性微流体管道

微流控芯片在生物、化学、医学等领域受到了研究者们的广泛关注,尤其是含有金属电极的微流体管道在毛细电泳、电化学微量检测、生物医学工程和柔性电子领域具有广泛的需求前景.文章提出了一种简单按需制备阵列化嵌金属电极柔性微流体管道的方法.该方法基于电喷印直写技术并结合翻模和湿法刻蚀工艺,实现了嵌金属电极柔性微流体管道阵列的制备.首先,通过在线性转动接收基底上叠加直写聚乙烯醇(PVA)纤维,制备了可嵌入聚二甲基硅氧烷(PDMS)的表面光滑的线性凸起微结构(线宽为10～100μm,高宽比可大于1:2),并以此作为模板,实现了阵列化柔性微流体沟道的制造;其次,通过在平动接收基底上直写光刻胶作为保护层,并结合湿法刻蚀工艺,实现了在含有微流体沟道阵列的柔性基底上金属图案化导电电极(线宽低至5μm)的灵活制造;最后,对通入不同浓度盐溶液的微流体管道进行电学测试,验证了其管道的导通性和金属电极的导电性.结果表明:基于电喷印的集成制造流程可以灵活、简单、高效、低成本的按需加工阵列化嵌金属电极柔性微流体管道,有望应用在生物医学工程和柔性电子等领域.     

利用Raman光谱测定硅(100)晶面单轴应变的应变系数

建立了表征晶体硅应变量的晶格振动模型,首次计算获得(100)晶面单轴应变硅应变系数b为-336.6cm-1;通过建立的利用Raman光谱测量晶体硅单轴应变量的实验装置,首次获得装置中螺钉旋进量与应变硅应变量的关系;利用波长648nm的Raman激光谱测量了螺钉旋进量为1.5mm时,Raman频移为0.47cm-1,获得(100)晶面单轴应变硅应变系数b为-335.7cm-1.结果与晶格振动模型基本吻合,说明建立的利用Raman光谱频移法表征晶体硅应变量方法的有效性.     

基于像素偏振片阵列的实时动态相位测量技术

基于像素偏振片阵列的实时相移干涉计量技术可以实现实时相位测量,并降低干涉计量实验中的防振要求.本文采用电子束曝光技术制备了单元间距为7.4?m,像素数为320×240的基于铝纳米光栅的像素偏振片阵列.铝纳米光栅周期为140 nm,每相邻2×2单元的透偏振方向分别为0°,45°,90°,和135°.将像素偏振片阵列集成到感光元件上,并将其应用于实时相移干涉计量.采用线性插值的方法由采集的单帧图像获得4幅不同相移量时的干涉条纹图,从而解得物光波的位相信息.采用上述装置成功测量了由温度变化引起的相位动态变化,证实了该方法在实时动态相位测量应用的可行性.     

利用优化材料的凸起光栅标记提高莫尔条纹图像的对比度

在基于莫尔条纹相位匹配的纳米压印对准方案中,因阻蚀胶引入引起压印对准标记光栅副间隙介质的改变,使得莫尔条纹图像的对比度下降,恶化了压印对准精度.针对这一问题,本文提出了利用优化的标记材料来制备凸起光栅标记从而提高莫尔条纹图像对比度的方法.该方法为提高莫尔条纹图像对比度,通过FDTD(有限时域差分)软件,对玻璃模板及硅片基底上采用的光栅标记材料及光栅副间隙进行了优化计算,在采用常规压印阻蚀胶(折射率为1.6)、压印模板与基底间间隙为200nm、且光栅标记为凸起时,优化光栅标记材料为:玻璃模板上光栅标记为折射率2.0的ITO;基底下光栅标记为折射率2.7的Cr.实验结果表明:在光栅副的间隙介质分别为折射率1.6的阻蚀胶和折射率1.3的水时,采用优化材料的凸起光栅标记(周期为6和6.1μm的光栅副)得到的莫尔条纹图像的对比度与原标记相比分别提高了11.92%和4.66%.     

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.     

Si-N-O薄膜表面微图形的制备及对内皮细胞黏附行为的影响

采用光刻技术、湿法刻蚀在(100)硅片表面制备微米级沟槽图形结构, 并运用非平衡磁控溅射(UBMS)设备在图形表面沉积Si-N-O系薄膜, 最终得到Si-N-O薄膜表面微图形. 运用表面轮廓仪对微图形结构尺寸进行了表征, 采用X射线光电子能谱(XPS)对Si-N-O薄膜的成分结构进行了检测, 应用静态接触角测量评价了样品表面的亲疏水性, 运用体外内皮细胞粘附及Alamar blue实验评价Si-N-O薄膜表面微图形对内皮细胞粘附、取向及增殖等细胞行为的影响. 实验结果发现图形样品表面的内皮细胞数量和活性优于平面样品. 图形对培养1 d的内皮细胞取向有明显的引导作用, 细胞多沿与沟槽平行方向生长; 3 d后多数内皮细胞跨过沟槽区域相互融合, 细胞活性仍显著优于平面样品. 实验表明样品表面的微图形化可有效促进了内皮细胞在样品表面的附着与增殖生长.     

电子束物理气相沉积钇钛合金薄膜的组分和厚度分布

大面积薄膜的组分和厚度分布是实际工艺中最为关心的问题之一. 利用实验和直接模拟Monte Carlo(DSMC)方法, 分别研究了双电子束和三电子束物理气相沉积(EBPVD)中, 钇和钛蒸气原子的三维低密度、非平衡射流, 获得了它们在100和150 mm单晶硅基片表面的沉积厚度和组分的分布. DSMC结果与钇和钛的蒸发速率的石英晶振探头原位测量值, 沉积薄膜厚度分布的台阶仪和Rutherford背散射仪的测量数据, 沉积薄膜组分分布的Rutherford背散射仪和电感耦合等离子体原子发射光谱仪测量值, 均相符甚好. 这表明通过DSMC方法与精细测量相结合, 可在原子水平上实现EBPVD输运工艺的定量预测和设计.     

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.     

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.     

大面纳米积压印揭开式脱模建模与模拟

大面积纳米压印是一种高效、低成本和批量化制造大面积微纳米结构的方法,已经被看作最具有工业化应用前景的微纳米制造方法之一.脱模是当前大面积纳米压印所面临的最大挑战性问题,是制约大尺寸晶圆级纳米压印进入工业化应用最大的瓶颈.＂揭开＂式脱模已经被认为是实现大面积纳米压印最为有效的一种脱模方法,本文开展了大面积纳米压印揭开式脱模理论建模和数值模拟的研究.基于应变能法,并结合脱模过程中能量的守恒,建立了＂揭开＂式脱模预估脱模力理论模型.以光栅图形垂直式脱模为例,建立了目前工业界广泛采用的气体辅助揭开式脱模在脱模过程中所需气压脱模力理论模型.利用ABAQUS工程模拟软件,揭示了模具材料特性、特征图形几何参数对于＂揭开＂式脱模影响规律.该研究为大面积纳米压印工艺奠定重要理论基础,并为晶圆级纳米压印工艺优化和压印装备开发与性能的改进提供理论基础和方向性指导.     

增强型AIGaN／GaN槽栅HEMT研制与特性分析

成功研制出蓝宝石衬底的槽栅增强型A1GaN／GaN HEMT．栅长1μm,源漏间距4μm,槽深10nm的器件在1．5V栅压下饱和电流达到233mA/mm,最大跨导210mS／mm,阈值电压为0．12V,器件在500℃N2气氛中5min退火后阈值电压提高到0．53V．深入研究发现,当器件槽深15nm时,相比槽深10nm器件饱和电流和跨导有所减小,但阈值电压从0．12V提高到0．47V．利用不同刻蚀深度A1GaN／GaN异质结的C-V特性,深入研究了阈值电压、栅控能力与刻蚀深度的关系．     

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.     

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.     

光学邻近效应矫正(OPC)技术及其应用

随着集成电路设计和制造进入超深亚微米（VDSM）阶段,特征尺寸已经接近甚至小于光刻工艺中所使用的光波波长,因此光刻过程中,由于光的衍射和干涉现象,实际硅片上得到的光刻图形与掩膜版图形之间存在一定的变形和偏差,光刻中的这种误差直接影响电路性能和生产成品率.为尽量消除这种误差,一种有效的方法是光学邻近效应矫正（OPC）方法.目前由于OPC矫正处理时间过长,产生的文件大小呈指数级增长,使掩膜版的制造成本成倍地增加.文中首先针对OPC矫正技术进行了深入研究,提出了具有图形分类预处理功能的自适应OPC矫正技术,将芯片图形按其对性能的影响分为关键图形与一般图形,对两类图形采用不同的容差,提高了OPC处理效率.其次,提出并实现了图形分段分类的基于模型的OPC矫正算法,在保证矫正精度的同时提高了矫正的效率.提出了具有通用性、简洁性和全面性的OPC矫正规则,在此基础上实现了规则库的自动建立和规则库的查找与应用,实现了效率高、扩展性强的基于规则的掩膜版矫正算法.算法对规则数据进行有效地描述、存储和处理,提高了光刻矫正技术实际应用效率.第三,设计实现了高效、高精度的光学邻近效应矫正系统MR-OPC,系统综合应用了基于规则的OPC矫正技术和基于模型的OPC矫正技术,很好地解决了矫正精度和矫正效率之间的矛盾,取得了最佳的矫正优化结果.     

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．     

一种多跳无线传感器网络中基于SMAC协议的性能分析模型

本文针对基于SMAC协议的多跳无线传感器网络,将节点建模为一个带关闭机制的有限队列单服务台系统,并考虑节点睡眠机制和竞争退避机制建立了二维Markov节点状态模型.基于该模型可准确推导出网络平均丢包率、网络吞吐量、数据包平均延时以及网络平均功率消耗等网络性能的表达式.通过与仿真实验给出的网络性能结果进行对比,发现模型给出的网络性能表达式有效逼近了仿真结果曲线,从而验证了模型的准确性.同时,运用该模型能准确分析多跳无线传感器网络在能量效率和QoS性能的折中关系,并为占空比、缓存队列容量等网络协议参数的优化提供理论指导.     

Si基^63Ni辐射伏特效应同位素电池的优化设计与分析

目前国内外研究的各类微能源中,β辐射伏特效应同位素电池因能量密度高、寿命长、输出性能稳定等优点在许多领域具有广泛的应用前景.本文从辐射伏特效应的基本原理出发,通过蒙特卡罗程序MCNP模拟计算β粒子在半导体材料中的输运过程,得出了辐生电流、开路电压等性能参数的计算公式,探讨了少子扩散长度、掺杂浓度、结深等对性能的影响,并提出了采用硅基63Ni源的同位素电池的最佳设计参数：63Ni源质量厚度为1mg/cm2,单晶硅半导体P区掺杂浓度为1×1019cm？3,N区掺杂浓度为3.16×1016cm？3,结面积为1cm2,结深为0.3？m,总厚度不超过160？m.得到的短路电流、开路电压、最大输出功率及转化率分别为：573.3nA,0.253V,99.85nW,4.94%.为低功率场所,如微型机电系统、心脏起搏器等所需的微能源提供参数依据.     

考虑工艺参数变化的安全时钟布线算法

在超深亚微米（VDSM）工艺下，由光刻工艺带来的光学邻近效应不可忽略，时钟偏差受到光学邻近效应等工艺参数变化的影响非常严重。提出了一种带缓冲器插入的安全时钟布线算法，来防止因光学邻近造成线宽变化对时钟系统的影响。该算法提出了“分支敏感因子”（BSF）的概念，通过构造特殊的树型拓扑结构和布线过程中的缓冲器插入等操作，达到总体布线长度和偏差灵敏度的平衡．实验结果表明，算法可以得到一个抗光学邻近效应工艺参数变化的可靠时钟布线树，时钟偏差被有效地控制在合理范围之内。