MgO基磁性隧道结中隧穿磁-塞贝克效应温度特性的理论研究

构建了基于光学方法的单晶势垒层磁性隧道结理论模型,并利用该模型研究了MgO基磁性隧道结中隧穿磁-塞贝克效应的温度特性。由于该理论模型充分地计入了势垒层的周期性和晶格畸变的影响,在此理论模型中,温度不仅通过费米分布函数对塞贝克系数产生影响,还会通过晶格畸变对塞贝克系数进行修正,进而使塞贝克系数具有关于温度的振荡特性。该振荡特性来源于单晶势垒层周期势对隧穿电子的衍射所导致的相干性。上述结果在理论上解释了MgO基磁性隧道结中平行塞贝克系数和TMS随温度非单调变化的实验结果,并阐明了其物理机制。此外,文章还研究了应变、杂质浓度以及回复温度等晶格畸变参数对隧穿磁-塞贝克效应温度特性的影响。研究结果发现,杂质浓度和回复温度可以对平行塞贝克系数非单调变化的幅度进行调制。

隧穿磁电阻效应磁场传感器中的噪声分析及降低噪声的方法

隧穿磁电阻效应磁场传感器(TMR)虽具有灵敏度高、功耗低等特点,但器件的低频噪声限制了其在微弱磁场探测方面的应用。文章分析了隧穿磁场传感器中散粒噪声、热磁噪声、1/f噪声的产生机理,并结合几种噪声的解析式分析了各自的频率依赖关系。在低频率范围内,TMR传感器的噪声主要表现为1/f噪声。阐述了降低器件噪声的若干方法,并结合理论和实践分析了优化TMR传感器的结构、优化MTJ材料制备工艺、运用斩波技术、交流励磁以及MEMS聚磁器等方法后的降噪效果。通过对比分析发现MEMS磁聚集器是隧穿磁场传感器的最优降噪手段,利用MEMS磁聚集器可有效地将1/f噪声压制103倍,使TMR磁传感器的噪声低于10 pT/√Hz@1Hz。

氧化硅水平隧穿结电子源及其应用

电子源是真空电子设备的核心部件,片上微型电子源是实现微型化、片上化真空电子器件的关键和基础。氧化硅水平隧穿结电子源是本课题组近几年发展的一种新型片上微型电子源,其具有发射效率高、发射电流密度大、工作电压低、能耐受粗真空和时间响应快等优点,展现出较大的应用潜力。文章将从电子发射微观过程及理论模型、阵列化集成以及在真空电子器件中的应用三个方面系统介绍氧化硅水平隧穿结电子源,并对本课题组在该方向上所做的工作进行梳理与总结。

基于共振隧穿二极管的太赫兹技术研究进展

共振隧穿二极管(Resonant Tunneling Diode, RTD)是一种基于量子隧穿效应的半导体器件,同时具有非线性特性和负阻特性,通过改变偏置电压可以作为太赫兹源和太赫兹探测器,在未来6G技术中通信感知一体化方面具有优势。简要总结了基于RTD实现的器件的工作原理,对基于RTD实现的太赫兹源和太赫兹探测器、太赫兹通信系统以及太赫兹雷达系统等太赫兹技术的研究进展进行介绍,并对当前存在的技术挑战和未来的发展方向进行探讨。基于RTD的太赫兹技术凭借其突出的优势,将成为未来电子器件领域重要的发展方向。

CrCl_(3)隧穿磁阻的界面效应与多场效应调控

磁隧道结是研究磁性材料自旋结构、输运特性、磁相变和磁各向异性的重要实验平台.本研究基于干法转移技术制备了以机械剥离的少层范德瓦耳斯反铁磁绝缘体三氯化铬(CrCl_(3))为势垒层、少层石墨烯为电极的磁隧道结原型器件结构,并进行了低温电磁输运测量,除观测到自旋过滤效应引起的隧穿磁阻外,还发现多种由非传统效应引起的磁阻变化.基于对隧道结自旋结构和能带结构的分析,本文将之归因于由磁近邻效应引起的隧穿机制改变,以及石墨烯电极态密度在高磁场下出现的量子振荡行为.本文报道了在二维磁隧道结中与隧穿磁阻相关且此前未被广泛关注的物理现象,加深了对此类二维异质结构中载流子输运特性的理解,为二维磁性材料的物理性质研究及其自旋电子学应用拓展了新的途径.

对高维Schwarzschild-de Sitter黑洞视界处Fermions量子隧穿辐射率的修正

根据Lorentz-breaking理论对弦量场作用量进行修正并应用变分原理得到了高维Schwarzschild-de Sitter黑洞时空中的费米子动力学方程。通过对此动力学方程的研究得到了高维Schwarzschild-de Sitter黑洞事件视界处和宇宙视界处的量子隧穿率的修正形式,从而研究了此黑洞事件视界处和宇宙视界处的修正形式的Hawking温度和Bekenstein-Hawking熵的新的表达式。在得到研究结果的基础之上,文中最后还对研究方法和结论进行了讨论。

缺陷辅助隧穿对TOPCon太阳能电池性能的影响

TOPCon太阳能电池超薄氧化硅层中的载流子的直接隧穿和针孔传输是两种当前被广泛探讨的机制,在实际电池制造过程中,超薄氧化硅层在高温诱导应力下在产生针孔的同时,也可能伴随大量缺陷的出现,这些缺陷有助于载流子通过缺陷辅助隧穿进行传输。本文通过数值求解漂移扩散输运方程,理论模拟了光照下TOPCon太阳能电池的性能在氧化层厚度为2.0 nm的情况下,综合考虑直接隧穿和缺陷辅助隧穿作为两种主要的输运机制,TOPCon太阳能电池效率将会提高。研究了电池填充因子随氧化层电子有效质量的依赖关系。接着讨论了从晶体硅体寿命和背面多晶硅浓度对TOPCon太阳能电池性能的影响。本文的研究结果不仅有助于加深人们对TOPCon太阳能电池载流子输运机制的理解,还为优化电池结构设计提供了有益的理论指导。

采用新兴隧穿器件的低功耗微控制器设计与实现

基于隧穿场效应晶体管(TFET)器件的低功耗微控制器设计将器件、电路和系统结合,利用具有超低亚阈值摆幅特性的器件使得电路在非工作情况下达到极低泄露功耗,避免了金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)器件亚阈值摆幅理论极限带来的功耗瓶颈,解决了目前对电池供电设备中微控制器的低功耗需求问题。TFET器件与传统MOSFET器件在工作机理上差异较大,主要体现在关断后具有更低的泄露电流,可以在更低的电压下工作,适用于长休眠电池供电低功耗需求下的物联网应用场景设计。该文调研了近年来TFET器件在低功耗电路设计方面的研究,介绍了传统微控制器的结构以及功耗来源,同时阐述了TFET器件的工作原理、特性以及设计挑战,在数字电路、模拟电路以及系统设计各领域考察了TFET器件的研究发展进程,并对各设计方案进行了优劣势分析,结合文献调研分析了TFET器件在低功耗微控制器设计领域的未来展望。

低驱动场钙钛矿铁电超薄薄膜设计及其多态隧穿特性

铁电隧穿结通常为金属-超薄铁电薄膜-金属三明治结构,利用铁电极化状态调控量子隧穿效应获得不同电阻态,实现数据存储功能.其因读写速度快、功耗低、存储密度高及非易失性存储等特点,成为了新一代信息存储技术重要发展方向.然而,这种超薄铁电薄膜因极化翻转电场大、速度高,往往存在局部温度升高、稳定性降低等问题,因此,进一步降低铁电薄膜驱动电场对铁电隧穿器件设计至关重要.研究表明,铁电薄膜可通过调控衬底应变使其处于多畴共存状态,各畴之间翻转驱动电场随着能量势垒的降低而大幅降低.该文基于WKB近似的电子隧穿理论并结合Landau唯象理论,研究了衬底应变对铁电驱动电场、量子隧穿特性及隧穿电阻开关比的影响.计算结果表明:通过衬底应变调控,经典钙钛矿铁电薄膜PbTiO_(3)和BaTiO_(3)同时存在面外向上、向下极化以及面内极化3种电阻状态,有效驱动电场可降低至25 MV/m,比单畴铁电隧穿结驱动电场减少了76%.研究结果为低能耗、多阻态铁电存储器件设计提供了理论基础.

双栅无掺杂隧穿晶体管特性提升仿真研究

对双栅无掺杂型隧穿晶体管(DopingLess TFET,DLTFET)进行了仿真研究。通过对传统无掺杂型器件的载流子分布、电流密度、电势分布及能带图等参数的深入研究,较为全面的了解了此类器件的工作原理。基于DGTFET器件的仿真研究成果,提出了使用两种功函数栅材料构成的隧穿栅(Ф_(TG)=4.0 eV)-控制栅(Ф_(CG)=4.6 eV)-辅助栅(Ф_(AG)=4.0 eV)及异质栅介质共同实现的新型DLTFET器件。含异质栅介质和3种栅材料双栅无掺杂隧穿场效应晶体管(Hetero gate oxide TMDG-DLTFET,HG-TMDG-DLTFET),可有效促进形成更为陡峭的“突变结”。通过仿真验证了该器件较传统DLTFET的有效隧穿分布面积更大,提升了隧穿电流,表现了很好的频率特性。当栅压为1.0 V且漏压为0.5 V时,该器件的开态电流为5.5×10^(−6)A,较传统DLTFET器件的开态电流5.9×10^(−10) A提高了4个数量级;当栅压增至1.5 V时,开态电流达到了2.3×10^(−5)A。

异质栅介质双栅隧穿场效应晶体管TCAD仿真研究

采用异质栅介质结构,加入高k介质Pocket区,对双栅隧穿场效应晶体管进行了改进。通过搭建不同模型,分析了栅介质的长度、介电常数以及Pocket区厚度等参数对器件开态电流Ion、双极性特性、亚阈值摆幅等的影响。TACD仿真结果表明,Ion随介电常数的增大可提升至5.17×10-5A/μm,且双极性电流也有极大的增幅,亚阈值摆幅因开态电流的改善降低至28.3 mV/dec,而异质栅介质的不同长度对器件性能并无明显影响;在双极性上,Pocket区厚度的增加使得栅漏隧穿宽度增大,双极性电流减小至1.0×10-17A/μm,抑制了双极性导通,同时对器件其他特性未产生明显影响。

隧穿氧化物钝化接触太阳能电池的研究进展

随着全球对可再生能源需求的不断增长,太阳能电池作为一种高效、清洁的能源转换方式,受到了广泛关注。隧穿氧化物钝化接触(Tunnel Oxide Passivated Contact, TOPCon)太阳能电池作为一种新型的太阳能电池技术,以其高效率、低成本和易于大规模生产的优势,成为了当前研究的热点。该技术通过在电池背面引入一层超薄隧穿氧化层和一层多晶硅层,有效降低了界面复合损失,提高了电池的开路电压和填充因子,从而提升了电池的光电转换效率。本文首先介绍TOPCon太阳能电池的研究背景,然后对其工作原理进行详细的理论分析,之后介绍了TOPCon太阳能电池的关键结构及其制备技术,并讨论了TOPCon太阳能电池的研究现状与关键问题,最后进行了总结和展望,为TOPCon太阳能电池的未来研究提供参考和借鉴。

一维三方势垒量子隧穿特性的研究

本文通过严格求解定态薛定谔方程,研究了一维对称三方势垒的量子隧穿特性,解析地给出透射系数的精确表达式,并且数值模拟了势垒高度、势垒间距以及粒子入射能量对透射系数的影响.结果表明:当取不同的势垒宽度,或者不同的粒子入射能量时,透射系数随着势垒间距的增加而呈现出明显的周期式振荡.将一维对称双方势垒和三方势垒进行比较,透射系数随着势垒间距的增大,均呈现周期性振荡,并且振荡周期相同,但三方势垒振荡更剧烈,振幅越大,并且三方对称势垒是双峰曲线,而双方对称势垒是单峰曲线.该特性为设计新型纳米器件以及共振隧穿量子器件等提供理论指导.

一维双方势垒单势阱模型的共振隧穿条件研究

对于双势垒或多势垒系统,当入射粒子能量符合共振能级时将产生共振隧穿,使穿透率为一极大值,这样一个重要的性质在很多量子或半经典器件中都有广阔的应用前景.本文主要研究一维双方势垒模型及具有高度对称性的ABABA型双方势垒系统.从薛定谔方程出发,通过推导获得了一般的一维双方势垒系统的透射率计算方法,为数值计算提供了参考公式,并证明了透射率解析解的存在.对于具有高度对称性的ABABA型双方势垒系统模型,本文推导了透射率的解析表达式,并且给出了共振遂穿条件的解析解,探讨了共振隧穿所需条件及影响因素.

一种全尺寸MOS晶体管的俘获隧穿电流优化模型

针对当前的俘获隧穿电流模型中,对于不同器件尺寸只有统一的参数进行模型拟合,存在无法针对器件尺寸变化进行准确地模型拟合的问题。本文提出了在俘获隧穿电流模型的参数中,添加与器件全尺寸信息相关的方法,包括器件宽度方向,长度方向及小尺寸的系数对原有的漏电模型基础上进行优化,使得该优化的漏电模型能更好地反应器件特性实测数据,更好地解决了俘获隧穿电流更准确地表征器件特性的问题,这就提高了给电路设计者做仿真参考的准确性。

自由层磁性交换偏置效应调控隧穿磁电阻磁传感单元性能

优化样品结构参数、磁场退火热处理、串并联桥式设计、施加电流热效应以及额外偏置磁场等是调控隧穿磁电阻(tunnel magnetoresistance,TMR)磁传感性能的常用方法.借助这些方法可以提高TMR磁传感的灵敏度、抗噪声指数、线性度和线性磁场范围等关键性能参数.其中,通过改变TMR磁传感单元的钉扎层、自由层以及势垒层材料和厚度等样品结构参数能够改变交换偏置场,进而提升TMR磁传感性能参数.本文基于微磁学仿真和实验测量发现,通过改变自由层CoFeB/Ru/NiFe/IrMn中的交换耦合作用,可以调制TMR自由层的交换偏置场大小和提升TMR磁传感单元的性能.当逐步增强IrMn钉扎效果时,TMR磁传感单元的线性磁场范围随之增大,但是磁场灵敏度降低;在±0.5倍自由层(主要是CoFeB层)磁矩变化范围内所有TMR磁传感单元的线性度最佳.

光生载流子FN隧穿的范德华垂直异质结光电探测特性

过渡金属硫族化合物及其范德华异质结在光电探测方面具有重要的应用前景。近年来,基于光电导效应、光诱导栅控效应、光伏效应、光-热电效应等机理的器件被提出并广泛研究。其中,基于光诱导栅控效应的过渡金属硫族化合物平面型光电器件因其与晶体管相近的器件结构、工艺兼容性以及较高的光电探测响应率而备受关注,然而往往存在响应速度慢、不施加栅压时暗电流大等缺点,制约了器件性能的进一步提升。因此,针对过渡金属硫族化合物光诱导栅控型光电器件,如何提高其响应速度、降低暗电流成为亟需解决的重要问题。该研究通过实验构建石墨烯/MoS_(2)/h-BN/石墨烯垂直异质结构,在传统石墨烯/MoS_(2)异质结中插入宽禁带h-BN势垒层以抑制器件暗电流,同时利用光照条件下光生载流子的FN隧穿效应提升器件的光电响应速度。该研究成功实现了皮安量级的暗电流以及相对较快的光电探测响应速度(响应时间约为0.3 s),相比于传统石墨烯/MoS_(2)异质结器件(响应时间约为20 s)有近两个数量级的提升,同时验证了基于FN隧穿效应的范德华垂直异质结构对于增强光电探测性能的积极作用。

基于共振隧穿二极管的近程太赫兹通信技术

太赫兹通信技术是实现6G愿景的关键底层技术之一,针对应用场景选择不同技术路线定制收发系统将是其发展趋势。RTD太赫兹收发模块具有室温、高频率、高灵敏度、易集成等特点,成为太赫兹通信技术领域的新星。通过介绍RTD太赫兹源、探测器及通信系统的工作原理和现状,分析了目前面临的效率及灵敏度提升挑战,并从器件和电路层面探讨和展望了可能解决方案和技术方向,为推动RTD太赫兹通信实用化提出思考。

基于隧穿磁阻磁强计的软物理不可克隆函数设计

隧穿磁阻(TMR)传感器相比于其他类型磁阻传感器功耗更低、灵敏度更高、可靠性更好,在军事和民用等领域有着广阔的应用前景。该文针对TMR传感器的微弱信号检测和安全防护等问题,提出一种高精度TMR传感器读取专用集成电路(ASIC)和提取传感器物理不可克隆函数(PUF)特性的设计方案。该方案通过设计前端低噪声仪表放大器和高精度模数转换器,并结合斩波技术和纹波抑制技术,实现高精度信号读取和模数转换;利用具备数字输出功能的TMR磁强计比较不同传感器零位偏差,采用多位随机平衡算法完成TMR磁强计的软PUF设计,可产生128 bit PUF响应。TMR传感器读取ASIC利用上海华虹0.35μm CMOS工艺完成流片,并测试磁强计功能和TMR-PUF性能。实验结果表明,在5V电源电压下,TMR磁强计系统功耗约10 mW,噪底可达–140 dBV,3次谐波失真–107 dB;TMR-PUF的唯一性达到47.8%,稳定性为97.85%,与相关文献比较性能优异。

硫化铅量子点薄膜中基于量子隧穿的载流子输运机制

近年来,铅系量子点(如PbX,X=S,Se,Te)薄膜光物理性质的研究表明该材料在下一代柔性光电器件中存在潜在应用价值.理解量子点薄膜中载流子输运机制对于发展此类器件至关重要.利用超快瞬态吸收光谱技术,对PbS量子点薄膜中由于载流子输运导致的激子漂白峰位移做了系统性研究.结果发现在高带隙激发条件下,激子漂白峰随延时往低能方向移动,即发生红移.进一步通过分析光谱位移速率和幅值与温度的依赖关系,基于热激活隧穿输运模型揭示了PbS量子点薄膜中的载流子输运机制为电荷隧穿.