基于斜立生长硒化铅纳米片可饱和吸收体的光纤脉冲激光研究(特邀)

利用窄禁带半导体硒化铅的可饱和吸收性质,通过物理气相沉积法和光纤探针转移,优化工艺制备硒化铅可饱和吸收体器件,搭建不同波长的脉冲光纤激光器。在基本器件不变的情况下,利用简单的环形腔,在近红外1~2μm范围内实现了稳定的锁模输出,中心波长分别为1060.46 nm、1563.24 nm、1908.34 nm,基频分别为0.593 MHz、13.59 MHz、10.25 MHz,脉宽分别为30.53 ns、4.26 ns、1 ns。该结果扩展了新型纳米晶材料硒化铅化合物的应用,可为脉冲光纤激光的波长调控提供解决方案,并满足多波长可调控激光器在生物医学、监测等场景下的应用需求。

一维碳纳米管/二维二硫化钼混合维度异质结的原位制备及其电荷转移性能

一维(1D)材料与二维(2D)材料的结合可形成独特的混合维度异质结,其在继承2D/2D范德瓦尔斯异质结的独特物性之外,还具有丰富的堆叠构型,为进一步调控异质结的结构及性能提供了新的可操控自由度。p型1D单壁碳纳米管(SWCNT)与n型2D二硫化钼(MoS_(2))的结合,为调控异质结的能带结构及器件性能提供了丰富的选择。本文直接在高密度、手性窄分布的SWCNT定向阵列及无序薄膜表面原位生长MoS_(2),制备出高质量1D SWCNT/2D MoS_(2)混合维度异质结。深入分析形核点的表面形貌与结构,提出了“吸附-扩散-吸附”生长机制,用于解释混合维度异质结的生长。利用拉曼光谱分析,证实SWCNT与MoS_(2)间存在显著的电荷转移作用,载流子可在界面处快速传输,为后续基于此类1D/2D异质结的新型电子及光电器件的设计与制备提供了新思路。

掺Fe高阻GaN缓冲层特性及其对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件的影响研究

利用金属有机物化学气相沉积技术在蓝宝石衬底上制备了掺Fe高阻Ga N以及Al Ga N/Ga N高电子迁移率晶体管(HEMT)结构.对Cp_2Fe流量不同的高阻Ga N特性进行了研究.研究结果表明,Fe杂质在Ga N材料中引入的Fe^(3+/2+)深受主能级能够补偿背景载流子浓度从而实现高阻,Fe杂质在Ga N材料中引入更多起受主作用的刃位错,也在一定程度上补偿了背景载流子浓度.在一定范围内,Ga N材料方块电阻随Cp_2Fe流量增加而增加,Cp_2Fe流量为100 sccm(1 sccm 1mL min)时,方块电阻增加不再明显;另外增加Cp_2Fe流量也会导致材料质量下降,表面更加粗糙.因此,优选Cp_2Fe流量为75 sccm,相应方块电阻高达×10?/,外延了不同掺Fe层厚度的Al Ga N/Ga N HEMT结构,并制备成器件.HEMT器件均具有良好的夹断以及栅控特性,并且增加掺Fe层厚度使得HEMT器件的击穿电压提高了39.3%,同时对器件的转移特性影响较小.

MEMS静电驱动微镜阵列的设计与工艺研究

基于微机电系统(MEMS)工艺,设计并制作了一种应用于光通信领域的二维准静态驱动微镜阵列(MMA)。相比于梳齿驱动,平行板电容式静电微镜更易于形成高占空比的阵列排布,有利于作为光开关矩阵应用在全光交换中。通过设计弹性系数小的“竖蛇形”双扭转轴结构,有效降低了微镜的驱动电压;并采用硅—玻璃阳极键合工艺来实现平板电容结构,将绝缘的玻璃作为电极基底与绝缘体上硅(SOI)硅器件层键合,不仅实现了良好的电隔离,提高了器件的稳定性,且能很好地与阵列扩展兼容。制备出的1×4微镜阵列可实现X/Y方向的二维(2D)准静态驱动,测试结果与有限元仿真结果基本吻合。结果表明,微镜内、外轴可分别在26.5V和29.5V的直流电压驱动下达到±2°机械转角,微镜响应时间为5ms。

基于Au/In键合的静电扭转微镜的设计与工艺研究

采用Au/In键合技术并引入凸点层设计,制备了用于光通信领域的二维平行板式静电扭转微镜阵列。相较于其他键合技术,Au/In键合实现了低温键合并与硅通孔技术相容。此外,相对于梳齿驱动,采用平行板电容的扭转微镜有助于实现更高的占空比,便于阵列制造。凸点层的设计提升了键合强度,平均键合强度达8.97 MPa。微镜的实测结果与有限元仿真基本一致,内、外轴分别在13.7 V和18.2 V的直流电压下实现了0.7°的机械转角。

单电子晶体管用于电荷检测的研究

单电子晶体管可用作超灵敏电荷计进行高灵敏电荷检测。首先建立了单电子晶体管电荷检测的电路模型,阐释了其电荷检测机制;然后利用COMSOL和MATLAB软件对检测过程进行了模拟研究,分析了不同电荷量和检测距离时单电子晶体管库仑岛的电势,并研究了电荷量、检测距离及电荷间静电耦合对单电子晶体管电导的影响。结果表明,单电子晶体管电荷检测时工作点和检测距离决定其电荷检测的量程,最佳检测距离应设置在电导-距离曲线的斜率最大处。

毫米级无源微悬臂梁力值传感器件设计与制作

随着微纳技术、生物医学、航空航天等领域的发展,微小力值的计量得到了越来越广泛的应用。针对无源悬臂梁力值传感器的使用需求,研究了影响悬臂梁弹性系数的因素,设计了一组弹性系数为0.041-21.125N/m的无源悬臂梁力值传感器件,采用基于绝缘体上硅（SOI）硅片微机电系统（MEMS）工艺对器件进行制备,实验结果表明,制备的器件尺寸精度达到0.2%,器件的均匀性和成品率均可控。

微米尺度悬浮式机电器件的电荷穿梭特性

研究限制在电极间并能做自由往复运动的微米尺度金属球的电荷穿梭特性,作为进一步研究纳米机电式穿梭器件的模型器件。通过测量不同电压下的穿梭电流,验证经典模型预测的电流与电压特性。精确测量实时的电荷穿梭信号脉冲,证明该系统中存在模型预测的电荷穿梭电流和模型未能预测的感应电流。通过对电极-微球-电极结构的电场模拟,揭示了产生感应电流的物理机制:微球与电极碰撞过程产生动态电容变化,形成瞬时的感应电流。通过测量不同电压下穿梭电流和穿梭频率的关系,修正了经典穿梭模型,给出了感应电流引起的电荷修正因子。

GaN基近紫外激光器研究现状与进展

氮化镓(GaN)基近紫外激光器(UVA LD,320~400 nm)在紫外固化、3D打印以及医疗等领域具有广泛应用。文章首先概述了GaN基UVA LD的国内外研究现状与关键技术挑战,然后分析了如何从外延生长与结构设计的角度,解决AlGaN的应力调控、高效p型掺杂与量子阱中极化电场的抑制等关键问题,以期为进一步实现高功率、低阈值、长寿命GaN基UVA LD的外延生长提供参考。

界面处理对AlGaN/GaN MIS-HEMTs器件动态特性的影响

研究不同界面处理对AlGaN/GaN金属-绝缘层-半导体(MIS)结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)器件性能的影响。采用N2和NH3等离子体对器件界面预处理,实验结果表明,N2等离子体预处理能够减小器件的电流崩塌,通过对N2等离子体预处理的时间优化,发现预处理时间10min能够较好地提高器件的动态特性,30min时动态性能下降。进一步引入AlN作为栅介质插入层并经过高温热退火后能够有效提高器件的动态性能,将器件的阈值回滞从411mV减小至111mV,动态测试表明,在900V关态应力下,器件的电流崩塌因子从42.04减小至4.76。

基于表面等离激元的偏振不灵敏型电光调制器的理论研究

由于受到表面等离激元(SPP)固有偏振性的影响,基于表面等离激元的波导型调制器只支持横磁模式(TM)传播。本文提出了一种在垂直方向和水平方向上均构建混合(hybrid)波导结构的表面等离激元电光调制器,以实现调制器的低偏振灵敏性。在组合的混合波导中,垂直和水平偏振方向上的表面等离激元被限制在相应的混合波导中。通过调控介质和ITO界面处形成载流子积累层中载流子浓度可实现光吸收调制。在经优化的结构中两个偏振态的消光比差为0.005d B/μm。通过3D-FDTD模拟调制器的光场调控,清楚地显示了传统硅波导与偏振不灵敏调制器间的耦合传输特性。两种偏振态下,偏振不灵敏调制器与硅波导之间的耦合效率均达到了74%以上。此项研究将为表面等离激元电光调制器在偏振不灵敏光集成回路中的应用提供解决方案,为其与具有偏振随机态光纤回路的集成奠定了基础。

应用于激光雷达的二维静电微镜设计

设计了一种应用于激光雷达的二维静电驱动谐振式微机电系统(MEMS)扫描微镜。基于MEMS技术对微镜加工工艺进行设计,简化了电隔离槽制备工艺,利用在绝缘体上硅(SOI)晶圆顶层硅刻蚀微镜结构的同时刻蚀电隔离槽,无需填充绝缘材料,实现动静梳齿的电绝缘;利用SOI晶圆底层硅的背面刻蚀结构,实现机械结构的连接,保证二维微镜结构的完整性。制备出镜面直径为4 mm二维谐振扫描微镜,并运用有限元法模拟微镜谐振频率,其仿真结果与实际测得的结果基本一致。在40,50 V的方波电压驱动下,快轴和慢轴的测量谐振频率分别为1618.2,328.2 Hz,相对应的光学扫描角度分别为16°,21°,并得到在此谐振工作下的李萨如扫描图。

应用于单目3D相机中MEMS镜的扫描角度补偿

为了提高单目视觉相机的测量精度及测试数据的可重复性,提出了一种应用于激光扫描投影中扫描镜的闭环控制方式来提高投影出的条纹位置的稳定性。利用集成在扫描镜上的压阻传感器提供的反馈信号进行闭环控制,同时针对压阻传感器的温度特性,设计了测试系统来标定压阻输出与温度关系曲线。通过记录每一个温度下压阻的反馈输出值,生成反馈输出与温度的关系表。在室温至70℃的温度区间内,扫描镜的扫描角度的变化量由3.52°减小到0.05°。通过对扫描镜的扫描角度补偿控制后,单目视觉相机的三维测试精度以及测试数据的可重复性都得到了大幅提升。

具有阻挡层的H等离子体处理增强型p-GaN栅AlGaN/GaN HEMT研究

采用H等离子体处理p-GaN盖帽层来制备p-GaN栅AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT).在p-GaN层表面上先沉积2 nm的Al_(2)O_(3)薄膜,以减少H等离子体注入p-GaN时对表面造成的损伤.经研究表明沉积Al_(2)O_(3)阻挡层的器件栅极反向泄漏电流降低了一个数量级,开关比提高了约3倍.由于栅极泄露电流的减小,关态击穿电压从410 V提高到780 V.针对栅极反向泄漏减小的现象,进行了变温I_(G)-V_(G)测试,验证了栅极反向泄漏电流的主导机制是二维变程跳跃(Two-dimensional variable range hopping,2D-VRH)模型.分析了减小栅极反向电流的原因是由于Al_(2)O_(3)阻挡层改变了HR-GaN的表面态,使陷阱能级的活化能升高.此外,器件动态特性也表现出更稳定的趋势,这是Al_(2)O_(3)薄膜阻挡过多的H等离子体的注入,使AlGaN势垒和沟道陷阱态数量减少,电流崩塌效应减弱.

非晶AlBN介质薄膜的制备及相关特性研究

采用脉冲激光沉积(PLD)技术在GaN(002)上沉积非晶AlBN介质薄膜.利用X射线衍射技术(XRD)、透射电子显微镜(T EM)和X射线光电子能谱(XPS)等技术分别对介质薄膜的晶体结构、成分进行表征,并采用导电原子力显微镜(CAFM)以及I-V等测试手段对不同厚度薄膜的电学性质进行测试.结果表明:不同厚度的AlBN介质薄膜均为非晶,薄膜中B含量约为6.7%(原子分数).厚度为3 nm和18 nm的AlBN介质薄膜的表面粗糙度(Rq)分别为0.209 nm和0.116 nm,薄膜表面平整均匀,18 nm薄膜施加±10 V电压时,没有出现明显的漏电流.但在金属-介质-金属(M IM)结构中,18 nm薄膜结构中出现较大漏电流,漏电流密度在-2 V时约为-2×10^-4 A/cm^2.

表面菱形孔795 nm VCSEL的偏振特性

795 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)作为铷基芯片级原子钟(Rb-CSAC)的光源,其输出光的偏振不稳定会降低Rb-CSAC的稳定度和精确度。为了满足Rb-CSAC对795 nm VCSEL偏振稳定的需求,设计了一种具有表面菱形孔的偏振稳定的795 nm VCSEL。通过有限时域差分(FDTD)法计算了VCSEL的偏振特性,结果表明VCSEL的顶部分布式布拉格反射镜(DBR)在表面菱形孔的长轴和短轴方向具有不同的反射率。反射率高的偏振模式阈值增益低,成为VCSEL优先激射的主导偏振模式。为进一步提高VCSEL的偏振抑制比(OPSR),将VCSEL的氧化孔制作成尺寸为5.5μm×4.1μm的菱形。对不同长、短轴的表面菱形孔795 nm VCSEL进行偏振测试,结果表明,当表面菱形孔的尺寸为4μm×6μm,且菱形氧化孔的长轴与表面菱形孔的长轴相互垂直时,VCSEL的OPSR可达到16.22 dB。

增厚DBR型894 nm窄线宽VCSEL

垂直腔面发射激光器(VCSEL)是芯片级原子钟(CSAC)的主流光源,其光束质量会影响CSAC的各项性能。扩展VCSEL内部有效腔长能够以压缩冷腔线宽的方式压窄器件最终辐射激光的线宽,从而可以减小CSAC短时间内的计时频率噪声。根据所计算的VCSEL表面反射谱,将VCSEL中4层下分布式布拉格反射镜(DBR)的厚度由常规的四分之一波长增加至404 nm,压缩了VCSEL冷腔线宽,并生长了对应的外延结构,制备了通过增厚DBR扩展有效腔长的894 nm窄线宽VCSEL。测试结果表明,研制的VCSEL在90℃下波长为893.1 nm,功率为0.335 mW,线宽约为32 MHz,且具有稳定的偏振特性。

蝶形天线增强的HEMT室温太赫兹探测器

介绍了一种基于GaN/AlGaN高电子迁移率晶体管(HEMT)的高速、高灵敏度室温太赫兹探测器。在太赫兹波辐射下,HEMT源漏端产生直流光电流,并能被栅压灵敏地调控。探测器中新颖的蝶形天线设计使接收到的太赫兹电场得到显著增强,提高了探测器的响应度。通过测量探测器对不同偏振方向的太赫兹光的响应,有效验证了蝶形天线对太赫兹电场的增强作用。室温下,探测器的等效噪声功率约为5×10-10W/Hz21,平均响应度达42mA/W。实验结果表明,光电流的产生与二维电子气沟道的场效应特性和入射太赫兹波电场在电子沟道中的分布密切相关。自混频理论能很好地描述实验结果。

基于GaN HEMT的混合EF类功率放大器设计

基于GaN HEMT提出了一种3.5 GHz频率的高效率混合EF类功率放大器。采用输出端并联谐振电感来补偿晶体管的输出电容,提高了混合EF类功放的工作频段,使其能在3.5 GHz频率下达到高效率。使用简单的微带传输线构成谐波控制和匹配网络,满足混合EF类功放基波、奇次谐波和偶次谐波的阻抗特征,同时完成与50Ω负载阻抗的匹配。测试结果显示,在3.3～3.8 GHz频段内,在1dB压缩点处输出功率达到40 dBm,漏极效率75%～79%,增益11.5～12.3 dB。

Al组分对MOCVD制备的Al_xGa_(1-x)N/AlN/GaNHEMT电学和结构性质的影响

采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)方法制备了不同Al组分(x=0.19,0.22,0.25,0.32)的Al x Ga1-x N/AlN/GaN结构的高电子迁移率晶体管(HEMT)材料。研究了Al x Ga1-x N势垒层中Al组分对HEMT材料电学性质和结构性质的影响。研究结果表明,在一定的Al组分范围内,二维电子气(2DEG)浓度和迁移率随着Al组分的升高而增大。然而,过高的Al组分导致HEMT材料表面粗糙度增大,2DEG迁移率降低,该实验现象在另一方面得到了原子力显微镜测试结果的验证。在最佳Al组分(25%)范围内,获得的HEMT材料的2DEG浓度和室温迁移率分别达到1.2×1013cm-2和1 680 cm2/(V·s),方块电阻低至310Ω/□。