硅基高频器件与SiGe外延技术

本文描述了应用于SiGe外延的分子束外延(MBE)、超高真空化学气相沉积(UHV／CVD)、常压化学气相沉积(APCVD)、快速热化学气相沉积(RTCVD)等几种工艺及这几种工艺中的常见问题，并介绍了近来这些SiGe外延技术的改进，最后从器件角度对以上几种工艺特性进行了比较。     

硅基GaN蓝光LED外延材料转移前后性能

利用外延片焊接技术, 把Si(111)衬底上生长的GaN 蓝光LED外延材料压焊到新的Si衬底上. 在去除原Si衬底和外延材料中缓冲层后, 制备了垂直结构GaN 蓝光LED. 与外延材料未转移的同侧结构相比, 转移后的垂直结构GaN 蓝光LED的电学性能、发光性能和结构性能明显改善, 光输出功率显著提高. 垂直结构LED的GaN层受到的张应力比同侧结构LED小.     

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.     

有机功能材料薄膜与器件

具有光、电、磁物理功能的有机材料的出现促进新思想、新概念、新材料的发展；有机功能材料的电子状态、导电机理以及杂质的影响完全有别于无机金属和半导体，因此，在深入探索结构与功能的关系的基础上，有可能开展分子、聚集态以及器件设计的研究。若与有机化合物的结构多样化，良好的加工性、成膜和成纤性等特点相结合，有可能实现无机电子材料所难兼具的电子行为。进而实现“分子电路”的设想。这里，我们对有机功能材料的基本概念、种类，功能材料薄膜的沉积、器件的构筑，分子电子学和分子器件的概念作了一个较为全面的介绍。     

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.     

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.     

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。     

大功率光纤激光材料与器件关键技术研究进展

相比于其他类型激光器,大功率光纤激光器具有结构紧凑、转换效率高、光束质量好、热管理方便等优点,在工业、国防等领域有着广泛的应用前景.其中高增益光纤材料与元件、高质量激光泵源、高性能激光种子源成为了制约万瓦级光纤激光器发展的主要因素.本文介绍了大功率光纤激光材料与器件的发展现状,分析讨论了高增益双包层光纤与元件(光纤光栅、包层光剥离器、合束器等)、激光泵源、单频光纤激光种子源等关键技术,对国产万瓦级乃至数万瓦级光纤激光技术的发展进行了展望.     

我国稀土发光材料科学技术发展回顾与展望

本文对我国稀土发光材料科学和技术的发展，从机遇和起步，跟踪和引进，自主发展，带动相关科技和产业化发展进行较全面回顾，稀土发光材料已经成为我国信息显示，绿色照明工程，医疗健康，光电子等领域的支柱材料，对比与发达国家的差距和存在问题，对进入新世纪和WTO后，所面临的新机遇-新挑战，以及蓬勃发展前景予以展望。     

利用有机发光磁效应研究深蓝色激基复合物的发光机理

2013年Jankus等人在Advanced Materials上报道了NPB与TPBi共混的深蓝色激基复合物的发光机理,根据瞬态光谱的实验结果,他们认为器件中室温下较高的量子效率是由三重态激子的湮灭(TTA)导致的,而不是由热辅助引起的三重态激子T_1向单重态激子S_1的转变结果(即反向系间窜越,RISC).最近的研究表明,有机发光二极管(OLEDs)中的磁效应(magneto-electroluminescence,MEL)可作为研究其发光机理的有效手段,对TTA和RISC都有灵敏的指纹响应.本文制备了结构相同的OLEDs,测量了器件的MEL曲线,发现室温下该器件内部既没有发生TTA,也没有发生RISC过程,仅在低温20K且在大电流工作下才能出现TTA过程,采用更低功函数的阴极、对器件阳极进行臭氧O_3处理、甚至呈量级增大器件的注入电流,以有利于TTA过程的实现,但仍未观察到TTA,器件的磁电导实验结果及其理论模拟表明,该体系内部可能发生了三重态激子与空穴极化子的相互作用T_1(↑↑)+P~+(↓)→S_1(↑↓)+P~+(↑),即TPI(triplet-polaron interaction)过程,本研究对理解NPB与TPBi共混器件的发光机制有较好的参考价值.     

无线通讯用硅基微小天线

采用微电子加工工艺在高电阻率硅片上设计和制备了微小天线,并对其进行了仿真和测试,模拟和测试结果比较吻合,测试得到天线为水平和垂直双向辐射,天线的增益约为2.5 dBi,谐振频率约为3GHz,能够满足通讯系统中天线系统的要求,并且文章对天线的制作工艺进行了详细的介绍,此天线有利于天线集成和与CMOS工艺等的兼容．     

红荧烯发光器件中电流与温度调控的微观演化过程

有机发光磁效应对有机半导体中激发态的微观过程有指纹式响应,本文采用这一灵敏方法探究了红荧烯(Rubrene)发光器件中微观机制随电流与温度的演化.实验结果表明:室温下,注入较小电流(5~100μA)时,Rubrene中主要发生单重态激子的分裂(singlet fission,SF),且该过程几乎不受电流变化的影响;注入中等电流(100~1000μA)时,除发生SF外,由直接注入的三重态激子还可以发生聚合反应(triplet fusion,TF);注入大电流(1000~4500μA)时,除了SF和TF,还出现了系间窜越过程(inter-system crossing,ISC).从室温到20 K的降温过程中,SF变弱,TF增强,ISC过程也越来越强.本器件中ISC随电流与温度的演化规律均与常规发光器件中的规律相反.我们采用相关微观过程的率常数以及不同电流和温度下激发态的寿命对实验结果进行了较好解释,这对深入理解Rubrene在有机发光中的微观机制有一定的促进作用.     

高场作用下有机单层器件的复合发光

考虑载流子经过体材料内部所受限制对Fowler-Nordheim隧穿电流密度的影响, 建立了高电场下有机单层器件的复合发光模型, 并求出了复合电流密度和复合效率以及电导率的数学表达式, 很好地解释了电场强度对迁移率和复合区域的调制作用. 载流子的平衡注入以及复合区域的尽可能靠近器件中部以减少漏电流, 都是提高器件发光效率的重要条件. 只有当电压增大到某一数值时, 由于注入的载流子多于器件实际输运载流子的能力, 才会出现空间电荷限制电流.     

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.     

低维半导体结构材料及其器件应用研究进展

人们预测,到２０１０年,以硅材料为核心的当代微电子技术的ＣＭＯＳ逻辑电路图形尺寸将达到０．０５微米或更小。到达这个尺寸后,一系列来自器件工作原理和工艺技术自身的物理限制以及制造成本大幅度提高等将成为难以克服的问题。从某种意义上说,这就是硅微电子技术的“极限”。为迎接硅微电子技术的“极限”的挑战,满足人类社会不断增长的对更大信息量的需求,近年来,基于低维半导体结构材料的量子力学效应（如“量子尺寸效应     

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.     

硅氧合金薄膜结构光电特性及其在硅基薄膜太阳电池中的应用

硅薄膜合金化可调控硅基薄膜的光学带隙、折射率等特性,是提高硅基薄膜太阳电池性能的重要途径之一.硅氧合金薄膜是由富硅相和非晶富氧相组成的双相体系,具有高电导、宽带隙、低折射率等特性,可用于硅基薄膜太阳电池的吸收层及辅助层,提高太阳电池的性能,是近期硅基合金薄膜的研究热点.本文将概述硅氧合金薄膜的微观结构、光电特性,及其在硅基薄膜电池窗口层、吸收层、中间反射层、背反射层等的应用.     

无机固体发光材料的合成及其相关理论研究

无机固体发光材料是功能材料的一个重要分支,在工农业生产、军事、消防和人们生活的许多方面得到广泛应用.本文主要结合本课题组近年来在三维等离子平板显示用真空紫外发光材料、长余辉发光材料及白光LED用发光材料等方向的研究工作,从发光材料的设计、制备、结构表征、性能分析以及发光机理等方面,对其研究进展进行综述,并对今后的发展进行展望.     

硅基微型振荡热管的流动可视化实验研究

利用MEMS技术,首次在硅基芯片上加工制作了梯形截面的微型振荡热管.借助摄像机,对以FC-72为工质的两个通道水力直径分别为352μm（#1）和394μm（#2）的微型振荡热管的启动和稳定情况下的运动特征和流型等进行了可视化观察.结果发现微型振荡热管的启动相当迅速,在启动过程中没有观察到明显的核化现象,蒸发段内的汽塞主要通过液塞断裂而产生;进入稳定阶段后,微型振荡热管对倾斜角度的适应性较强,在10°～90°的范围都可实现持续稳定的大幅振荡,但只在#2热管内明显地观察到工质的单向循环运动.实验中观察到泡状流、塞状流、环状流、半环状流和波环状流等,而核态沸腾只发生在#2热管的蒸发段,在其冷凝段还观察到了喷射流.