超薄Al2O3绝缘栅AlGaN/GaN MOS-HEMT器件研究

采用原子层淀积（ALD）,实现超薄（3.5nm）Al2O3为栅介质的高性能AlGaN/GaN金属氧化物半导体高电子迁移率晶体管（MOS-HEMT）.新型AlGaN/GaN MOS-HEMT器件栅长0.8μm,栅宽60μm,栅压为＋3.0V时最大饱和输出电流达到800mA/mm,最大跨导达到150ms/mm,与同样尺寸的AlGaN/GaNHEMT器件相比,栅泄漏电流比MES结构的HEMT降低两个数量级,开启电压保持在？5.0V.C-V测量表明Al2O3能够与AlGaN形成高质量的Al2O3/AlGaN界面.     

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．     

AlGaN势垒层应变弛豫度对高Al含量AlxGa1-xN/GaN HEMT性能的影响

采用数值算法自洽求解Poisson和Schrödinger方程, 计算了AlGaN势垒层的应变弛豫度对高Al含量AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）中的导带结构、电子浓度以及二维电子气(2DEG)薄层电荷密度的影响. 利用所获得的精确薄层电荷密度与栅电压的关系, 采用非线性电荷控制模型解析求解了应变弛豫度对Al_xGa_1-xN/GaN HEMT直流输出特性的影响. 计算表明, 应变弛豫度为0时所获得的Al_0.50Ga_0.500N/GaN HEMT的最大二维电子气薄层电荷密度为2.42×10¹³ cm^-2, 最大漏电流为2482.8 mA/mm; 应变弛豫度为1时所获得的最大二维电子气薄层电荷密度为1.49×10¹³ cm^-2, 最大漏电流为1149.7 mA/mm. 模拟结果同已有的测试数据相比, 符合较好. 对模拟结果的分析表明, 对高Al含量的AlGaN/GaN HEMT进行理论研究时需要考虑应变弛豫度的影响, 减小AlGaN势垒层的应变弛豫度可显著提高器件的性能.     

变Al组分AlGaN/GaN结构中的二维电子气迁移率

AlGaN/GaN结构中Al组分对2DEG迁移率有显著的影响,但对这种现象的机理分析非常欠缺,尚不清楚.结合最近研究的实验数据,采用多种散射机制联合作用的解析模型对变Al组分AlGaN/GaN结构中的二维电子气迁移率做了理论计算和分析,所考虑的散射机制包括声学形变势散射、声学波压电散射、极性光学声子散射、合金无序散射、界面粗糙散射、位错散射、调制掺杂远程散射等.发现势垒层Al组分增加引起的2DEG密度增大是造成各种散射作用发生变化的主要因素.77K下2DEG迁移率随Al组分的变化主要是由界面粗糙散射和合金无序散射决定,室温下这种变化则主要由极性光学声子散射和界面粗糙散射决定.计算的界面粗糙度参数与势垒层Al组分的函数关系说明,Al组分增大所造成的应力引起AlGaN/GaN界面粗糙度增大,是界面粗糙散射限制高Al异质结2DEG迁移率的一个重要因素.     

Al_2O_3/TiAl基复合材料在空气中的高温氧化行为

研究了热压烧结的Al2O3/TiAl基复合材料在900℃静止空气中的断续氧化行为.结果表明,随着Nb2O5掺量的增加,氧化增重减小,氧化抗力明显改善,其初始氧化动力学符合线性规律,断续氧化动力学服从抛物线规律.Nb2O5掺量大的材料,因氧化产物中含有TiAl和Ti2AlN相,显示其良好的抗高温氧化性.在900℃温度断续氧化120h后,氧化膜主要由TiO2外表层、Al2O3次表层以及TiO2和Al2O3的混合内层构成,由外向内为富Al向富Ti的氧化物混合层过渡.靠近基体TiO2和Al2O3混合内层为多孔疏松状结构,孔洞是由于形成Ti的氧化物后生成的.整个氧化层厚约20μm.氧化膜表面均未形成均一的Al2O3保护膜,但形成的内层Al2O3膜与外层TiO2膜粘附性高,没有发生氧化膜脱落现象.原位自生的Al2O3微细颗粒,高温下促使其本身成核与生长,使得热力学形成其膜所需的最低Al含量降低;同时,增加了Ti离子由M/MO界面向O/MO界面扩散的势垒,从而降低了TiO2的生成率,提高了抗氧化性能;另外,形成从外向内由富Al向富Ti氧化物混合层过渡的复层结构,降低了O2?的内扩散,改善了复合材料的抗氧化性能.     

非晶金刚石纳米棒阵列制备及其场发射性能

采用磁过滤等离子体结合氧化铝模板技术制备了具有优异场发射性能的非晶金刚石纳米棒阵列膜. 显微分析表明, 阵列棒分布均匀, 棒密度达10⁹ cm^–2. 场发射性能测试表明, 其最低阈值电场为0.16 V/μm, 在2 V/μm较低电场值下可获得最大电流密度180 mA/cm², 并且发射电流在长时间内非常稳定. 利用扫描电子显微镜(SEM)、红外光谱(IR)和场发射测试装置等手段对样品的形貌、内部结构以及场发射性能进行表征. 初步探讨了非晶金刚石纳米棒阵列场发射机理.     

基于摩擦纳米发电机的自驱动植入式电子医疗器件的研究

心脏起搏器、脑起搏器、神经刺激器等植入式电子医疗器件的工作寿命受限于电池容量.为了解决植入式电子医疗器件的供能问题,本文设计研制出了一种可将器官运动的机械能(心跳、肺呼吸等)转化为电能的供能器件-植入式摩擦纳米发电机.此发电机为接触分离的工作模式,在外力的作用下使具有微纳结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜和铝片发生摩擦而产生电能.器件大小1.2 cm×1.2 cm,采用生物相容性良好的材料PDMS进行全封装.实验表明其体外开路电压和短路电流的值分别为12 V,0.25μA,峰值功率密度为8.44 mW/m~2.植入到小鼠左胸皮下位置开路电压和短路电流为3.73 V,0.14μA.将此发电机和电源管理系统集成后用于植入式电子医疗器件的能源供给,有望实现植入式电子医疗器件的自驱动.     

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     

热压烧结Ti_3AIC_2材料在空气中的恒温氧化行为

研究了热压烧结的Ti3AlC2(含有2.8%(质量分数)的TiC)在900~1300℃空气中的恒温氧化行为.结果表明,该材料具有良好的抗高温氧化性能,其氧化行为遵循抛物线规律.随着温度升高,氧化抛物线速率常数kp从900℃的1.39×10?10增大到1300℃的5.56×10?9kg2·m?4·s?1,计算得到的氧化活化能为136.45kJ/mol.在900~1100℃时,氧化产物为α-Al2O3和TiO2;当温度达到1200℃时,TiO2开始部分地转变为Al2TiO5;氧化温度升高到1300℃,Ti在氧化层中完全以Al2TiO5的形式存在.氧化过程由Al3 和Ti4 的向外扩散和O2?的向内扩散控制.Al3 和Ti4 的快速向外扩散在基体与氧化层界面处导致大量的缺陷的形成.     

ZnO纳米阵列基钙钛矿太阳能电池的光电性能分析

近年来钙钛矿材料CH3NH3Pb X3(X=Cl,I,Br)因其在可见光范围的吸光系数大、成本低廉、能量转换效率高等优势而得到快速发展.本文采用低温化学水浴沉积制备出有序的Zn O纳米阵列,进一步在Zn O纳米阵列上旋涂不同体系的Ti O2,制备出Zn O/Ti O2复合阵列结构作为钙钛矿太阳能电池的电子传输层,通过改变Ti O2掺入体系探究电极的微结构变化和电池光电性能.研究表明,Zn O纳米阵列经过Ti O2浆料处理的复合体系组装的电池具有最优的光电性能,进一步考察Ti O2浆料浓度对电池性能的影响表明,当Ti O2浓度为0.1 mol/L时得到最佳性能,其组装电池的开路电压(Voc)达到0.93 V,短路电流(Jsc)为15.30 m A cm-2,填充因子(FF)为43%,效率(η)为6.07%.效率的提升主要是因为钙钛矿能深入Zn O阵列的间隙,同时在阵列的上部形成了均匀致密的覆盖层,有效提高了电池的光俘获,同时抑制了载流子的复合.在Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构优化浆料浓度的基础上,进一步对纳米阵列采用Ti Cl4溶液进行处理,电池的光电性能得到大幅提升:Voc=0.99 V,Jsc=19.09 m A cm-2,FF=58%,效率η达到11%.性能提升的原因主要是Ti Cl4溶液对复合纳米阵列的处理,引入了小Ti O2纳米颗粒到Zn O/Ti O2浆料复合阵列结构中,有效地填补了阵列中的间隙,后续旋涂钙钛矿材料,阵列上部的钙钛矿覆盖层和间隙中的钙钛矿纳米晶,其光照后产生的载流子都可以与电子传输层有很好的接触,从而快速地经由Zn O阵列传导至导电衬底,此外小纳米颗粒的引入,也增大了电极的表面积,提高了对钙钛矿物质的吸附,增大了光俘获,因而电池的整体性能都得到提高.     

纳米Al_2O_3对变压器绝缘纸纤维素热稳定性的影响及其机理分析

为提升电力变压器绝缘纸的热稳定性,使用纳米Al2O3对绝缘纸进行改性,通过分子模拟和试验的方法研究了纳米Al2O3对绝缘纸纤维素热稳定性的提升效果,并分析了纳米Al2O3对绝缘纸纤维素的改性机理.首先,对纳米Al2O3与纤维素的表面相互作用机理的分析表明纳米Al2O3易于掺杂到纤维素绝缘纸中,得到了Al2O3与纤维素表面相互作用结合能的公式,揭示了公式中相关参数的物理意义.然后,使用半径为5?的纳米Al2O3对纤维素进行改性,通过分子模拟技术研究了经纳米改性后的纤维素的微观参数的变化规律;同时,对改性绝缘纸和未改性绝缘纸进行了宏观热老化试验.模拟与试验结果对比分析表明,经纳米Al2O3改性的绝缘纸纤维素热稳定性有较好的提升.最后,对纳米Al2O3改性绝缘纸纤维素的机理进行了较为深入地分析,为纳米改性变压器绝缘纸性能方面的研究提供了理论支撑.     

Al2O3／TiAI基复合材料在空气中的高温氧化行为

研究了热压烧结的Al2O3／TiAI基复合材料在900℃静止空气中的断续氧化行为．结果表明,随着Nb2O5掺量的增加,氧化增重减小,氧化抗力明显改善,其初始氧化动力学符合线性规律,断续氧化动力学服从抛物线规律．Nb2O5掺量大的材料,因氧化产物中含有TiAI和Ti2AIN相,显示其良好的抗高温氧化性．在900℃温度断续氧化120h后,氧化膜主要由TiO2外表层、Al2O3次表层以及TiO2和Al2O3的混合内层构成,由外向内为富AI向富Ti的氧化物混合层过渡．靠近基体TiO2和Al2O3混合内层为多孔疏松状结构,孔洞是由于形成Ti的氧化物后生成的．整个氧化层厚约20μm．氧化膜表面均未形成均一的Al2O3保护膜,但形成的内层Al2O3膜与外层TiO2膜粘附性高,没有发生氧化膜脱落现象．原位自生的Al2O3微细颗粒,高温下促使其本身成核与生长,使得热力学形成其膜所需的最低Al含量降低;同时,增加了Ti离子由M／MO界面向O／MO界面扩散的势垒,从而降低了TiO2的生成率,提高了抗氧化性能;另外,形成从外向内由富AI向富Ti氧化物混合层过渡的复层结构,降低了O^2-的内扩散,改善了复合材料的抗氧化性能．     

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.     

不同退火气氛下钛掺杂氧化铪阻变存储器的性能研究

采用磁控溅射和光刻技术制备了阻变层为钛掺杂氧化铪的阻变存储器件(RRAM),研究氮气和氧气中退火处理工艺对其阻变性能的影响规律.结果表明氮气退火工艺能显著提高ITO/Hf Ti O/Pt器件的阻变性能.与制备态相比,氮气退火后存储器的阻变窗口增大,阻变参数的分散性变好;而氧气退火后阻变性能变差.为探索不同退火气氛对RRAM性能的影响机制,我们结合电流-电压(I-V)拟合机制和光电子能谱(XPS)分析,可以推断出ITO/Hf Ti O/Pt器件的阻变性能来源于阻变层中的氧空位形成的导电细丝,氮气退火有利于导电细丝的形成和断裂,所以能够优化器件的阻变性能.     

用于光通信与互连、集成差分光电探测器的标准CMOS全差分跨阻放大器

基于标准CMOS技术,提出和研究了一种用于光通信与光互连、集成差分光电探测器的全差分跨阻放大器(TIA).为实现全差分特性,提出了一种新型全差分光电探测器,其作用是将入射光信号转换成一对全差分光生电流信号,并保证电路结构和模型的全差分对称性.理论分析和仿真结果均表明:与常规的、集成光电探测器的差分跨阻放大器相比,该全差分跨阻放大器的带宽更高,灵敏度也同时被提高一倍.基于该集成差分光电探测器的全差分跨阻放大器,采用特许3.3V,0.35μm标准CMOS工艺设计和制造了一种单片全差分光电集成接收机.其跨阻增益为98.75dBΩ,从1Hz至-3dB频率点间的等效输入积分噪声电流为0.334μA.该光接收机采用了单一的3.3V电源;跨阻放大器与限幅放大器的总功耗为100mW;50Ω输出缓冲器的功耗为138mW.对于850nm的入射光、-12.2dBm的峰峰光功率和231–1位伪随机二进制序列输入信号,该光接收机达到了1.1GHz的3dB带宽和1.6Gbit/s的数据率.     

基于自热修正的SOI NMOSFETs热载流子注入效应寿命预测方法

自热效应SHE（self-heating effect）是SOI MOSFETs可靠性研究的关键问题之一.在热载流子注入HCI（hot carrier injection）应力下会导致自热效应加剧,低估器件工作寿命,使得寿命预测不准.本文提出了一种基于直流HCI应力下的0.18μmPD-SOINMOSFETs可靠性寿命预测方法.通过栅电阻法提取沟道中因自热效应产生的温度,采用自热修正后的衬底电流/漏电流比率模型预测PD-SOI NMOSFETs在正常工作电压下的寿命值,预测结果与未消除自热影响预测出的寿命值存在较大差异,说明自热修正在寿命预测中不可忽略,否则会低估器件的工作寿命.     

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.     

基于最大m值法的Ti-23Al-17Nb板材各向异性的超塑性研究

最大m值法是获得高超塑延伸率的有效方法之一.本文采用最大m值法对Ti-23Al-17Nb(at.%)合金在温度为940~1000℃、不同方向的超塑拉伸变形行为进行了研究.结果表明:在垂直轧制方向、1000℃条件下进行超塑拉伸,获得的最高延伸率为2507.4%,是至今该类Ti3Al基合金所报道的文献中的最高值.随着变形温度和变形量的增加,原始长条α_2晶粒重复经历拉长、断裂和球化的过程,这是获得高延伸率的原因之一,也是各向异性始终存在的原因.在一定变形条件下,α_2晶粒尺寸和体积分数较大时更有利于Ti3Al基合金的超塑性.1000℃变形时大应变会诱发O相析出,增加了合金抵抗颈缩的能力,从而获得更高的延伸率.     

微波快速烧结对弛豫铁电陶瓷显微结构与性能的改善

研究了 2 45GHz多模腔微波烧结系统对组成为xPb(Mg1/3 Nb2 /3 )O3 yPb(Zn1/3 Nb2 /3 )O3 zPbTiO3 的弛豫铁电陶瓷快速均匀烧结过程 .与常规烧结相比 ,微波烧结可显著提高致密化速率 .同时细化晶粒、晶界 ,改善材料显微结构 ,从而大幅度提高材料的击穿场强和断裂强度 ,并达到与常规烧结相近的介电常数 .研究结果表明对于弛豫铁电陶瓷微波烧结比其他陶瓷材料更有利于显微结构和性能改善     

前驱体中Bi含量对Bi_(3.4)Ce_(0.6)Ti_3O_(12)薄膜结构和性能的影响

分别配制了Bi含量为90,100和110mole%的前驱体,在Pt/Ti/SiO2/Si衬底上制备Bi3.4Ce0.6Ti3O12薄膜,研究前驱体中Bi含量对其微观结构和铁电性能的影响.前驱体中Bi含量增加可以有效地改善薄膜的结晶性能和表面形貌.对Pt/Bi3.4Ce0.6Ti3O12/Pt电容结构进行电学性能测量,发现Bi过量10%的前驱体制备的Bi3.4Ce0.6Ti3O12薄膜具有较好的性能:室温下,在测试频率1kHz时,其介电常数为172,介电损耗为0.033;在测试电场为600kV/cm时,其剩余极化值(2Pr)和矫顽电场(2Ec)分别达到67.1μC/cm2和299.7kV/cm;同时还表现出良好的抗疲劳特性和绝缘性能.