退火对Al-Al_2O_3-Ti/Au金属-绝缘体-金属电子源发射特性的影响

研究了退火工艺对金属-绝缘体-金属(MIM)器件(Al-Al2O3-Ti/Au结构)的发射特性的影响。在对MIM器件Ti/Au顶电极进行退火处理后,金属离子渗入绝缘层形成掺杂,器件发射电流密度提高,有效发射面积增大,并有较高发射效率,在加速电压200 V,器件偏置电压13.5 V时电子发射电流密度达到1056.6μA/cm2,最大发射效率为4.7%,最优退火温度为300℃。在对MIM器件的Al底电极进行退火处理后,可以减小电化学氧化的电解质掺杂,提高器件发射寿命,器件工作于非电形成状态,电子发射电流密度波动小。对Al底电极的单独退火可使器件同时具有发射大、稳定性好的优点,在提高MIM发射性能的同时,缩短了器件制备周期。

基于金属-绝缘体-金属光栅结构的功分器及分波器设计

设计了一种基于仿表面等离激元(Spoof surface plasmon polaritons,Spoof SPPs)的金属-绝缘体-金属(metal/insulator/metal,MIM)光栅结构的Y型功分器和分波器。MIM光栅结构由两块内侧加工有周期性凹槽的有限厚度金属板构成,工作于微波波段,采用单极子作为激励来激发光栅结构上的仿表面等离激元。其中功分器的两个输出分支采用凹槽深度相同的光栅结构,可以将从输入端来的电磁波平均分成两个部分,然后分别朝着两个输出分支传播;而分波器的两个输出分支则采用凹槽深度不同的光栅结构,可以使不同频率的电磁波朝着不同的分支传播。利用三维电磁仿真软件CST微波工作室(CSTmicrowave studio)对该功分器和分波器进行仿真分析,加工出分波器实物并进行了实验测试,测试结果与仿真分析基本吻合,验证了方案的可行性。

金属-绝缘体-金属结构的表面等离激元受激放大辐射放大器的研制

为了研究用于表面等离子(SP)波的可集成表面等离激元受激放大辐射(SPASER)放大器,设计了植入饱和吸收体的金属-绝缘体-金属(MIM)结构放大器的基本组成。根据SPASER的基本原理,对激射条件进行了分析,给出了放大器的制作工艺和抽运脉冲的设计以及性能指标。结果表明研制的放大器在选择566nm波长的入射光和532nm波长的抽运光,放大区采用长度范围为1～1.5μm的条件下,其脉冲响应时间可达100fs,带宽为1.5～2THz,SP的放大增益为30～60dB。该SPASER放大器研究将为大规模集成光子学芯片设计提供理论和技术基础,可在下一代高速通信系统中得到广泛应用。

内嵌金属块的金属-绝缘体-金属波导光透射特性

采用有限时域差分法,研究了内嵌金属块长度与夹缝宽度对金属-绝缘体-金属波导结构的光透射特性的影响。研究发现,此结构相比较于单一直波导而言,出现了一个很明显的透射峰。并且当金属块的长度较大时,其与波导上表面的金属之间形成的夹缝会构成法布里-珀罗腔,高阶共振模式被激发,能量在腔内不断谐振,从而产生多个不断衰减的共振峰。同时,提出了一种基于内嵌双金属块结构的表面等离激元带通滤波器,此滤波器在共振峰以外波段的透射率可以下降为0,且其共振波长可以通过改变金属块的长度等参数进行调节。

基于金属-介质-金属阵列的折射率传感(英文)

提出一种基于金属-介质-金属阵列结构折射率传感器.在可见光及近红外光区域内,由于表面等离子效应,入射波在特定频率时可以通过一个无缝的金,在80 nm厚的金膜上可以得到近100%的透射率.仿真结果表明传感器对周围液体的折射率变化也很敏感,这些发现可以得出一个新的、简化的替代方法,使传感器更加小型化.

一种0.18m单层多晶硅CMOS音频-调制器

设计了一种应用于18位高精度音频模数转换器(ADC)的三阶Σ-Δ调制器。调制器采用2-1级联结构,优化积分器的增益来提高调制器的动态范围。采用栅源自举技术设计输入信号采样开关,有效提高了采样电路的线性度。芯片采用中芯国际0.18μm混合信号CMOS工艺,在单层多晶硅条件的限制下,采用MIM电容,实现了高精度的Σ-Δ调制器电路。测试结果表明,在22.05kHz带宽内,信噪失真比(SNDR)和动态范围(DR)分别达到90dB和94dB。

金属表面等离子体激发的实时场分布研究

利用时域有限差分法的电磁场仿真软件建立了金属-绝缘体-金属波导结构模型,并通过持续扩展光源激发该波导结构产生表面等离子体波,研究了金属表面等离子体激发的实时场分布.结果表明,表面等离子体波的各电磁场分量可以沿着金属-绝缘体的接触面传播,但传播距离有限,且垂直于接触面向两侧指数衰减.

基于MIM谐振腔内嵌金属方芯结构的可调谐Fano共振

设计了一种由内嵌金属方芯的金属-绝缘体-金属方形气腔以及两个侧耦合波导组成的耦合结构,并采用有限元方法研究了该结构的传播特性.结果表明:通过对气腔内金属方芯偏离角和偏离距离的调节可以获得并调制Fano共振;该Fano共振由对称破缺或几何效应影响左右波导和谐振腔之间耦合区域中的场分布强度所致,场分布模式的变化是由波导模和腔模之间的干涉引起的.此外,Fano共振的光谱位置和调制深度对偏差参数十分敏感,通过计算不同偏差角及偏差距离下的折射率传感特性发现,其折射率敏感度最高达1 508nm/RIU,品质因数最高达1 308.研究结果为设计更加灵活、简单、高效的片上等离子体纳米传感器提供了理论依据.

一种用于传感的多Fano通道高灵敏度MIM波导

提出了一种金属-绝缘体-金属波导结构,该结构由带有中央矩形空气路径的方形环谐振腔和带有挡板的总线波导组成。利用有限元法研究了该结构的磁场分布、透射特性和传感性能。仿真结果表明,谐振腔中的中央矩形空气路径可以改变表面等离极化激元在谐振腔中的传播路径,提供更多的等离子体共振模式。在所提出的结构中可以激发四重Fano共振,透射谱中形成一个滤波带。改变结构参数可以调节Fano共振的个数,最多可以获得6个Fano共振和两个滤波带,还可以对Fano共振的位置、强度以及滤波带的宽度进行灵活方便的调节。该结构的最大灵敏度和品质因数分别为3028 nm/RIU和157.14,可用于制作多波段带阻滤波器和检测葡萄糖等液体浓度的传感器。

一种新型的分布式MEMS移相器的小型化设计

通过在共面波导信号线上贴敷低介电常数的薄层绝缘介质,使得MEMS金属桥与共面波导信号线在“关”态下形成MIM电容的方法,实现了提高“关”“开”两种状态下的电容比,从而提高了单位长度上的相移量.与传统的设计方法相比,在达到同样相移量指标的情况下仅需少量的MEMS金属桥就可以实现,工作的可靠性得到提高,未封装MEMS移相器器件的总体尺寸可以减小60%左右,此外由于在“关”态下,金属桥直接贴敷在介质表面上而不会随着外界环境震动,因此移相器的相移精度显著的提高.

基于CRLH TL结构的带通滤波器设计与研究

基于复合左右手传输线（CRLH TL）原理,利用微带与共面波导组合的双层介质结构,设计了一种新型带通滤波器.其等效左手电容由金属-绝缘体-金属（MIM）耦合结构提供,等效左手电感由蘑菇型零阶谐振器（MZOR）中的短路通孔实现.通过研究MZOR中U型槽长度变化对滤波器性能的影响得知,该带通滤波器具有结构紧凑,带宽较大,插入损耗较小等优点.HFSS仿真结果显示,滤波器的通带为3.4～7.2 GHz,通带内插入损耗低于-0.5 dB,回波损耗小于-11.5 dB.因此,该滤波器可应用于超宽带无线通信系统.

表面等离子激元净放大的结构设计与理论分析（英文）

连续波发生器的SPASER（Surface Plasmon Amplification by Stimulated Emission of Radiation）相当于净放大等于零,不能作为放大器使用,文中采用改进的MIM波导结构实现SPASER作为放大器可能性。利用汉密尔顿函数的理论模型得到了放大器激射条件,数值计算表明：采用改进的MIM波导结构实现解决SPASER的内反馈问题和消除SP的净增益问题是可行的;改进结构在不到100 fs的时间里实现了SP激子数的稳定水平;改进SPASER放大器响应时间为100 fs,带宽为1.5～2 THz,SP的放大增益在30～60 dB范围。上述研究成果将为大规模集成光子学芯片设计提供了理论和技术基础。

3D MIM电容器原子层沉积可控生长及电学性能

为提高电容器的比电容,设计了基于三维（3D）结构的金属-绝缘体-金属（MIM）电容器。采用原子层沉积（ALD）技术制备电容器功能薄膜层,通过建立3D结构原子层沉积理论模型,拟合得到了原子层沉积过程中薄膜覆盖率与3D结构之间的依赖关系。基于该模型优化了工艺参数,制备了不同介质层厚度的电容器,并对器件进行了C-V和I-V特性测试,得到电容器击穿场强和介电常数均值分别为6.68 MV/cm和7.95。同时,制备的3D MIM电容器的比电容达到212.5 fF/μm2,相比常规平面电容器,其电容密度提高了一个数量级。且该电容器击穿场强和介电常数与薄膜厚度之间具有良好的线性关系,表明理论模型合理,实现了基于3D结构的原子层沉积薄膜可控生长。

氮化硅薄膜MIM电容器的制备与性能研究

在被釉氧化铝陶瓷基片上,采用真空电阻蒸发法和等离子体增强化学气相沉积法制备了Au/NiCr电极薄膜及氮化硅(SiNx)介质薄膜,并对薄膜进行光刻图形化,制成了Au/NiCr/SiNx/Au/NiCr结构的MIM电容器。研究了所制电容器的介电性能、介温性能和I-V特性等电学性能。结果表明:所得MIM电容器具有很低的介电损耗(1MHz时tanδ为0.00192)及很高的电压稳定性;在–55～+150℃的范围内其1MHz时的电容温度系数为258×10–6/℃;另外,其I-V特性曲线显示出较好的对称性,漏电流密度较低,可承受较高的电压。

表面等离激元在具有PT对称性的环谐振器中的传输(英文)

提出了具有PT对称性的金属-绝缘体-金属波导系统,由两个波导耦合一个环谐振器组成,环谐振器的上臂填充增益介质而下臂填充损耗介质。对表面等离激元在该系统的传输特性进行了研究,结果表明:通过平衡增益介质和损耗介质,PT对称性诱导的透明峰可以被清楚地看到,并且该透明峰具有反相位的特点。

双半环型腔MIM波导法诺共振研究

为克服等离子体波导系统存在结构复杂、可利用波段范围小以及可调性差的缺点,提出了一种简单的双半环型腔金属-绝缘体-金属等离子激元波导结构(double semi-ring,DSR)。利用有限元法(finite element method,FEM)对其进行了模拟计算,并通过调整结构的几何参数和介质折射率,研究了该结构的透射特性和传感特性。结果发现:DSR结构能够产生2个典型的法诺共振,并且窄的离散态对法诺共振的形成起主导作用。改变共振腔的宽度和耦合距离可以实现对法诺共振的独立调控,该结构的最大折射率灵敏度和品质因数分别为1260 nm/RIU和17473 RIU^(-1)。通过在DSR结构的基础上添加共振腔可以实现四重法诺共振和法诺共振的半独立调控。提出的等离子激元波导结构简单且能产生透射率大、可调性好和灵敏感度高的多重法诺共振,可用于滤波器、光开关和传感器等领域。

电磁脉冲对MMIC电路中MIM电容的损伤分析

电容失效是电子电路中常见的故障。通过对某QPSK调制器微波单片集成电路(MMIC)进行失效分析,确定了该产品出现的故障是由MIM电容引起的,进一步地通过故障原因排查和故障机理分析,得知该MIM电容故障是由电磁脉冲(EMP)引起的,最后通过设计试验使故障复现,验证了分析结果的正确性,从而为今后MMIC的老炼试验设计提供了指导。

基于Ni电极和ZrO_2/SiO_2/ZrO_2介质的MIM电容的导电机理研究

研究了基于Ni电极和原子层淀积的ZrO_2/SiO_2/ZrO_2对称叠层介质金属-绝缘体-金属(MIM)电容的电学性能.当叠层介质的厚度固定在14nm时,随着SiO_2层厚度从0增加到2nm,所得电容密度从13.1 fF/μm^2逐渐减小到9.3fF/μm^2,耗散因子从0.025逐渐减小到0.02.比较MIM电容的电流-电压(I-V)曲线,发现在高压下电流密度随着SiO_2厚度的增加而减小,在低压下电流密度的变化不明显,还观察到电容在正、负偏压下表现出完全不同的导电特性,在正偏压下表现出不同的高、低场I-V特性,而在负偏压下则以单一的I-V特性为主导.进一步对该电容在高、低场下以及电子顶部和底部注入时的导电机理进行了研究.结果表明,当电子从底部注入时,在高场和低场下分别表现出普尔-法兰克(PF)发射和陷阱辅助隧穿(TAT)的导电机理;当电子从顶部注入时,在高、低场下均表现出TAT导电机理.主要原因在于底电极Ni与ZrO_2之间存在镍的氧化层(NiO_x),且ZrO_2介质层中含有深浅两种能级陷阱(分别为0.9和2.3 eV),当电子注入的模式和外电场不同时,不同能级的陷阱对电子的传导产生作用.

MIM波导中多耦合腔诱导透明效应的数值分析

通过在金属-绝缘体-金属表面等离激元波导单侧引入平行的双谐振腔结构,实现了等离激元诱导透明效应的数值模拟,基于谐振耦合导致的模式分裂理论揭示了单等离激元诱导透明透射峰的形成机理,并数值研究了透射峰幅度及谱宽与模型结构参数的依赖关系。在此基础上设计了在波导双侧三腔结构,并对其透射谱进行了数值仿真,结果表明:选取适宜腔长及间距参数,可以在三腔模型中产生双等离激元诱导透明透射峰,并且峰值位置可以随腔长以近似线性关系改变。

横向激励下金属纳米棒聚合体的Fano共振

设计了玻璃基底上的边对边型纳米棒聚合体周期性阵列结构,研究其磁共振机理,并用以实现Fano型共振。在横向激励下,即外加电场垂直于纳米棒长轴时,平面型纳米棒三聚体可实现单次Fano共振,而金属-绝缘体-金属型(MIM)纳米棒聚合体可实现双Fano共振。采用有限元法模拟分析了聚合体阵列在可见光至近红外波段内的近场电磁分布和远场消光谱,研究了其共振峰的特性与实现机理。分析表明,纳米棒局域表面等离激元共振模式的近场耦合与叠加,激发其磁表面等离激元(MSPs),从而得到Fano型共振。尤其MIM纳米棒的引入,为双次乃至多次Fano共振的实现提供更多可能。所设计纳米棒聚合体阵列的Fano共振损耗小,品质高,其带宽仅为30～50nm,有望应用于多波长生化传感检测、光开关等器件中。