新型科研机构打造融通创新生态环境研究——以材料科学姑苏实验室为例

生态环境的构建在科研机构中越发被重视,创新生态环境的内外部融通对于新型科研机构的可持续发展具有重要意义。本文以材料科学姑苏实验室为例,介绍其以需求为牵引,面向国家战略需求,产业未来需求和产业链安全需求的融通创新生态模式,分析该模式下面临的挑战,提出未来发展建议,对相关科研机构的生态环境搭建具有一定的参考意义。

倒装芯片凸块制备工艺

倒装芯片是先进封装中的主流技术之一,而凸块制备工艺又是倒装芯片关键技术之一,随着消费类电子产品朝着轻薄短小的趋势发展、芯片集成度越来越高、引脚数越来越密集,凸块制备工艺也在随之发展。凸块制备工艺包括UBM、蒸发、C4NP、模板印刷和电镀工艺。随着芯片尺寸的减小,焊球凸块逐步向铜柱凸块发展。同时还要应对细间距铜柱带来的共面性问题、应力问题和金属间化合物生长等可靠性问题。

碲化镉多晶合成工艺研究

使用多温区摇摆炉摇摆法制备了Ф52 mm的碲化镉多晶,深入研究了不同装料方式、温度工艺对晶体样品表面状态的影响规律。碲化镉晶体属于立方晶系,为闪锌矿结构。随着装料层数的增加,第一反应温度波动区温度升幅由172℃增加至278℃,温度变化速率由27.6℃/min增加至75.9℃/min。表明随着装料层数的增加,碲和镉之间的反应速率也显著提升,二者反应放热导致出现第一反应温度波动区。而随着降温由0.35℃/min降低至0.2℃/min,样品表面状态显著改善,表面孔洞数量大幅减少甚至消失,有利于碲化镉多晶后续的进一步加工。

迈向效率大于30%的钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池技术的研究进展

双结叠层太阳能电池由两个具有不同带隙吸收体的电池组成,通过差异化吸收更宽范围波长的太阳光,降低光子热化损失,已展现出打破单结太阳能电池Shockley-Queisser极限效率的巨大优势.获益于钙钛矿电池带隙可调和制备成本低的优点以及晶硅电池产业化的优势,钙钛矿/晶硅叠层太阳电池成为光伏领域的研究热点.本文系统的梳理了钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的最新研究进展,重点从钙钛矿顶电池、中间互联层和晶硅底电池的结构出发,总结出高效叠层器件在光学和电学方面的设计原则.本文还详细地分析了限制钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池继续提效的关键因素及解决措施,这对于钙钛矿/晶硅叠层太阳能电池的产业化之路是非常重要的.最后,对下一代更高效率的低成本叠层太阳能电池进行了展望.我们认为随着对光伏器件效率要求越来越高,基于钙钛矿/晶硅叠层结构的三结电池将会成为下一代低成本高效电池的研究热点.

230 nm远紫外LED封装器件制备与应用研究

制备了230 nm远紫外LED封装器件,并研究了氟树脂材料应用于封装器件对光电性能与可靠性的影响,结果表明氟树脂材料封装可使230 nm远紫外LED封装器件光功率提升13%,可达1 mW以上,并未对器件老化性能造成影响。但测试也发现当前230 nm远紫外LED封装器件性能还有所不足,光电转换效率小于0.1%,常温老化216 h光维持率为45%。以230 nm远紫外LED封装器件作为光源进行吸光度检测,测试结果显示当光程为1 cm时硝酸盐氮浓度在0~15 mg/L范围与吸光度成线性相关,可用于水质中硝酸盐氮浓度的检测。

一种应用于MIPI D-PHY的高速SLVS驱动电路

介绍了一种采用SMIC 14nm FinFET工艺制造的应用于MIPI D-PHY的高速SLVS驱动电路.分析了传统电平提升结构下拉网络延迟较大的问题,通过使用中和电容降低回馈噪声影响,同时交叉耦合结构中加入调整支路以平衡上拉网络与下拉网络,实现了输出节点更快速率的充放电.针对驱动电路转换期间寄生电容造成的信号过冲问题,通过加入耦合电容减弱转换期间流经晶体管的电流,降低输出信号超调量,减少开关管在转换期间造成的共模扰动.传统驱动方案中开关管和尾电流管源漏电压过低导致面积开销过大,通过将开关控制路径与共模反馈调节路径并联以节省晶体管面积.为了补偿信道对信号高频分量的衰减,通过检测信号跳变并生成脉冲信号驱动预加重电路来增加信号高频分量,从而提高眼图质量,实现更高频率的数据传输.测试结果表明,在1.8 V电源电压下,输出共模电平200 mV,电压摆幅200 mV,工作速度高达4 Gbps,总功耗约4.25 mW,能量效率1.0625 mW/Gb/s.在3.6 Gbps和4 Gbps速率下结构优化后输出眼图水平张开度分别提高了0.08 UI、0.07 UI.

基于超导铝的低损耗共面波导谐振器

研制具有实用价值的超导量子系统需要进一步提高量子比特的质量,目前材料及核心表界面缺陷是限制量子比特相干时间的重要因素。微波谐振器作为超导量子芯片的重要组成部分,可用于表征材料质量及相关器件制备工艺优劣。利用分子束外延(MBE)技术在本征硅(111)衬底上生长铝膜,制备λ/4共面波导谐振器。通过硅衬底的处理和高质量铝薄膜的制备,在20 mK的温度和近单光子探测功率下将谐振器本征品质因子提升到10^(6)。

超导量子芯片集成技术概述

超导量子与传统半导体技术兼容性好,具有微纳制造工艺成熟、系统集成度高、可扩展性好等优点,是最有可能实现通用量子计算的方案之一。经过近几十年的快速发展,超导量子在退相干时间、门保真度、比特规模化集成等方面都取得了很大的进展。然而要实现超导量子计算机的商业化应用,比特数量至少需要突破1000量级,而要实现通用量子计算则需要百万量级。因此,量子比特的大规模集成技术将成为未来10年内的重点发展方向之一。文章基于传统半导体封装技术的发展历程以及世界前沿的超导量子封装集成技术路线,对超导量子比特从10量级到1000量级,再到通用化量子计算集成技术进行阐述和分析。

化学气相沉积法碳化硅外延设备技术进展

碳化硅(SiC)是制作高温、高频、大功率电子器件的理想电子材料,近20年来随着外延设备和工艺技术水平不断提升,外延膜生长速率和品质逐步提高,碳化硅在新能源汽车、光伏产业、高压输配线和智能电站等领域的应用需求越来越大。与硅半导体产业不同,碳化硅器件必须在外延膜上进行加工,因此碳化硅外延设备在整个产业链中占据承上启下的重要位置,而且也是整个产业链中最复杂、最难开发的设备。本文从碳化硅外延生长机理出发,结合反应室设计和材料科学的发展,介绍了化学气相沉积(CVD)法碳化硅外延设备反应室、加热系统和旋转系统等的技术进展,最后分析了CVD法碳化硅外延设备未来的研究重点和发展方向。

超高真空磁控溅射生长铌薄膜

金属铌的超导转变温度高,在超导电子学和超导量子电路中有着广泛的应用。铌膜通常采用常规磁控溅射设备进行制备。为了改善铌膜的质量,利用超高背景真空的磁控溅射设备进行铌膜制备工艺的研究非常重要。结合真空分析表征、低温输运测量等技术系统性地研究了溅射参数对铌膜表面粗糙度和晶粒大小的调控,并分析了生长条件对铌膜超导转变温度和剩余电阻比的影响。利用硅上铌膜制备的共面波导谐振器,在10 mK温度,单光子激励下,本征品质因子超过一百万,表明超高真空磁控溅射生长的铌膜微波损耗极低。

约瑟夫森结工艺系统

超导电子学和超导量子信息等领域的核心元器件是约瑟夫森结,这是一种超导体/介质层/超导体三层结构的非线性器件。超导量子比特常用铝/氧化铝/铝结构的结,在量子芯片上制备这种约瑟夫森结,需要在衬底不离开真空环境的条件下,实施离子束刻蚀、样品方位角可调的电子束蒸发、气氛可控氧化等工艺过程。自主研发的约瑟夫森结工艺系统是一套集成了三个工艺腔室的超高真空系统,样品可以自动在不同腔室中传输并完成三种工艺过程,系统的工艺性能经过了验证。

单层硅烯表面的CoPc分子吸附研究

由于低维材料表面上的单原子和分子具有丰富的物理化学性质,现已经成为量子器件及催化科学等领域的研究热点.单层硅烯在不同的衬底制备温度下,表现出丰富的超结构,这些超结构为实现有序的单原子或分子吸附提供了可靠的模板.利用原位硅烯薄膜制备,分子沉积,超高真空扫描隧道显微镜以及扫描隧道谱,本文研究了Ag(111)衬底上3种硅烯超结构((4×4),(√13×√13),(2√3×2√3))的电子态结构,表面功函数随超结构的变化,以及CoPc分子在这3种超结构硅烯上的吸附行为.研究结果表明,这3种超结构的硅烯具有类似的电子能带结构,且存在电子从Ag(111)衬底转移到硅烯上的可能性,从而导致硅烯的表面功函数增大,表面功函数在原子级尺度上的变化对分子的选择性吸附起着重要作用.此外,还观察到分子与硅烯的相互作用导致CoPc分子的电子结构发生对称性破缺.

基于MOCVD生长的4.6μm中红外量子级联激光器

中红外量子级联激光器在红外对抗、痕量气体检测、自由空间光通信等领域具有广阔的应用前景,采用MOCVD生长量子级联激光器的方法具有生产效率高、可做再生长、便于多组分生长等优点。报道了可室温连续波工作的中红外量子级联激光器,波长4.6μm,采用MOCVD生长应变补偿的InGaAs/InAlAs材料。实验探究了不同掺杂对芯片性能的影响,通过优化掺杂浓度提升了器件性能。腔长3 mm,脊宽13μm的芯片在288 K的温度下,脉冲模式下最大峰值功率达到722 mW,电光转换效率和阈值电流密度分别为6.3%和1.04 kA/cm^(2),在连续模式下功率输出达到364 mW。文中成功实现了用MOCVD生长中红外量子级联激光器,为中红外波段的激光应用提供了技术支撑。

基于Te-PEDOT:PSS复合热电材料的柔性压力/温度传感系统

随着人工智能技术的快速发展,面向人机交互技术的新型柔性传感器的需求与日俱增.柔性传感器作为智能机械手、仿生假肢手等仿生智能系统获取外界信息的重要媒介,对实现仿生触觉感知能力以及提升系统智能化具有重要意义.当前,如何通过材料与结构设计,研制具有多模态感知能力的柔性触觉传感器,已成为柔性电子领域关键挑战之一.本文采用水热法制备了Te-聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)(Te-PEDOT:PSS)复合热电材料.通过将其与三维多孔密胺泡沫骨架复合,并浸涂聚乙烯醇(PVA)薄层进行封装,实现了具有高界面稳定性的复合敏感材料体系可控制备.由此所组装的柔性触觉传感器件兼具Te-PEDOT:PSS的热电性能与三维泡沫电极板的电容性能,实现了压力/温度在接触/非接触模式下的双模态感知能力.进一步将其与智能机械手联用构建了感知反馈系统,对其在触觉感知方面应用性能进行了探索.

面向分子科学的数据智能

分子科学是化学的核心,也是生物、材料、药学等学科的基础.传统的分子科学研究通过实验或理论手段进行,研究成本高、周期长,难以处理高复杂度体系.随着大数据时代的到来,数据驱动的人工智能研究已成为继实验、理论和模拟之后的第4种科学研究范式.数据驱动的机器学习凭借其快速高效的数据处理能力,在分子科学领域展现出巨大的发展潜力.尤其是在分子性质预测、分子设计、化学反应预测及逆合成、量子化学计算、自动化合成等领域获得了广泛应用.本文首先介绍面向分子科学数据智能研究过程中的3个关键部分,即分子科学开放数据集、分子描述符和机器学习算法;然后,列举机器学习在不同分子科学研究方向中的重要应用案例;最后,分析讨论该研究领域可能存在的挑战及潜在发展方向.

量子电路设计软件的框架与实现

超导量子电路被认为是量子计算领域最有前景的物理实现方法之一。随着超导量子比特数量的增加,目前急需一款量子电路自动化设计软件提高设计效率、增强可靠性。介绍基于Wolfram语言的cQED软件框架与实现方案,从几何图案中提取器件的电参数,为给定的电路网络生成哈密顿量,然后通过求解薛定谔方程研究电路动力学。该软件还可以完成量子比特的放置与布线,将产生的图形保存为半导体物理版图,优化量子电路设计流程。

基于RISCV架构的CORDIC指令集设计与实现

本文提出了一种基于RISCV架构的CORDIC指令集及实现方法,可直接减少执行的指令数量,通过采用独热码编码来减少译码逻辑资源的消耗,通过复用处理器算术逻辑单元来减少算术逻辑资源的消耗,通过预存特殊角度结果来减少计算时间,通过优化选择电路来提高工作频率。该方法在Zynq 7020平台上进行了实现。结果表明,相较于使用基础处理器指令计算的方法,指令数量压缩了97%,计算时间减少了43%;相较于传统CORDIC电路进行计算的方法,寄存器资源减少了79%,工作频率提升了65%,计算时间减少了39%。

超导量子电路材料

超导量子电路由超导的电容、电感、约瑟夫森结、传输线构成,在超低温下表现出宏观量子效应.由于超导体自身的耗散极低,超导量子电路的一个重要应用研究方向是具有长相干时间的超导量子比特.超导量子电路沿用了传统集成电路的微纳米制造工艺,包含多个超导量子比特的芯片也能进行规模化加工和封装.但是,在超导量子电路的结构设计、材料制备、芯片制造、工作环境等各个环节都会引入耗散通道,限制了超导量子比特的相干性.从微观机理上分析,这其中大部分通道都与量子电路材料及表界面相关,因此从材料和工艺出发,全方位探索高质量超导量子电路的制备是进一步推进其应用的必然趋势.

基于文献计量的超材料研究现状分析

[目的/意义]超材料作为备受关注的战略性前沿技术,具有重大的科学价值,其在诸多应用领域发挥着颠覆性作用。该文基于文献计量方法对超材料领域研究现状进行分析,以期为超材料领域的相关研究和实践活动提供参考。[方法/过程]以Scopus和Web of Science核心合集数据库中收录的超材料领域文章为基础进行文献计量分析,揭示该领域研究的整体态势,并利用CiteSpace软件对数据进行处理,分析超材料领域的研究重点和热点动态。[结果/结论]从研究态势来看,近20年来,超材料领域相关论文数量呈现逐年上升趋势,研究力量集中在中国和美国,无论是数量还是质量中美两国都处于绝对领先地位。从研究内容来看,电磁超材料在该领域的研究占比最高,其研究过程可分为三个阶段:基础内容的研究、应用领域的扩展、数字超材料的新概念产生。近3年电磁超材料领域学者重点关注超材料吸收器(MA)、石墨烯超材料等方面内容。

高效率双结钙钛矿叠层太阳能电池研究进展

以钙钛矿电池为顶电池的叠层太阳电池发展迅速,成为太阳能光伏领域的研究热点之一。随着电池结构和制备工艺的优化,叠层电池的光电转换效率快速提升,单片钙钛矿/晶硅叠层电池的效率已达到31.3%。本综述对近年来以宽带隙钙钛矿电池作为顶子电池、晶体硅电池及其他新型中窄带隙电池(钙钛矿电池、有机电池、铜铟镓硒(CIGS)电池)作为底子电池的叠层电池的研究进展进行了系统梳理,总结了叠层电池的顶电池、中间互联层和底电池的材料、结构及光电性能等方面的关键技术及难点,希望能够为进一步提升叠层电池效率提供一些思路。并对未来低成本高效叠层太阳能电池的光学和电学优化需求做出了分析与展望。