集成电子薄膜材料研究进展

首先分析了当前我国电子信息产业的现状,特别是电子材料与元器件行业的状况,结合国际上电子信息技术的发展趋势,阐述了研究集成电子材料的重要意义。文章结合作者的工作主要介绍了介电/GaN集成电子薄膜生长控制与性能研究情况,采用TiO2(诱导层)/MgO(阻挡层)组合缓冲层的方法控制介电/GaN集成薄膜生长取向、界面扩散,保护GaN基半导体材料的性能,降低介电/GaN集成薄膜界面态密度,建立界面可控的相容性生长方法。通过集成结构的设计与加工,研制出介电增强型GaN HEMT器件、高耐压GaN功率器件原型以及一体化集成的微波电容、变容管、压控振荡器、混频器等新型元器件。

高温老化和可靠性试验对Pt薄膜微型温度传感器的性能影响

设计了一种铂(Pt)薄膜热电阻微型温度传感器,采用磁控溅射方法制备传感器薄膜,使用扫描电子显微镜(SEM)、X射线衍射仪(XRD)、能谱仪(EDS)等手段对老化前后的Pt薄膜组织进行了系统表征;采用温度标定法对Pt薄膜电阻的温度-电阻特性进行了研究;通过振动、冲击、温度冲击等试验研究了温度传感器的环境可靠性。结果表明,老化处理增加了Pt薄膜组织结晶度,减少了组织中的杂质元素、降低了Pt薄膜电阻;线性拟合得出Pt薄膜温度-电阻线性度为0.999 93,具有良好的线性关系;可靠性试验后Pt薄膜电阻上升,测温精度一定程度上受到影响,但误差不大于0.205 K,满足高精度传感器的要求。

薄膜宽度对于NiFe/Ta逆自旋霍尔效应影响的自动表征

通过分立模板镀膜法在同一块光刻版上设计了不同宽度的NiFe/Ta双层膜线条,采用磁控溅射镀膜制备样品。构建了自动化电测试系统实现批量测试样品的逆自旋霍尔电压信号。实验结果表明,样品宽度会影响测试电压信号的对称性和幅值,通过拟合得到信号的对称分量和反对称分量及其比值随着样品宽度的变化,并分析逆自旋霍尔电压和自旋整流电压的影响因素,发现随着样品宽度的减小,自旋整流效应带来的影响逐渐减小,且施加的微波磁场越大,这种变化越明显,其原因在于各向异性磁电阻对薄膜宽度的依赖性。研究结果对自旋电子器件的实用提供重要的设计依据和指导。

GaN基底上集成介电薄膜材料的生长方法研究

将以极化为特征、具有丰富功能特性的介电氧化物材料通过外延薄膜的方式,在半导体GaN上制备介电氧化物/GaN集成薄膜,其多功能一体化与界面耦合效应可推动电子系统单片集成化的进一步发展。然而,由于2类材料物理、化学性质的巨大差异,在GaN上生长介电薄膜会出现严重的相容性生长问题。采用激光分子束外延技术(LMBE),通过弹性应变的TiO2的缓冲层来减小晶格失配度,降低介电薄膜生长温度,控制界面应变释放而产生的失配位错,提高了介电薄膜外延质量;通过低温外延生长MgO阻挡层,形成稳定的氧化物/GaN界面,阻挡后续高温生长产生的扩散反应;最终采用TiO2/MgO组合缓冲层控制介电/GaN集成薄膜生长取向、界面扩散,降低集成薄膜的界面态密度,保护GaN半导体材料的性能。所建立的界面可控的相容性生长方法,为相关集成器件的研发提供了一条可行的新途径。

导电聚合物有序超薄膜的合成及其作为有机电致发光器件空穴注入层

采用修饰多层LB膜的方法制备了导电聚合物聚-3,4-乙烯二氧噻吩/二十烷酸(PEDOT:AA)复合层状有序膜,构筑了一种导电聚合物镶嵌的多层有序膜结构.将这种导电聚合物有序薄膜沉积于ITO电极表面,将其作为有机电致发光二极管(OLED)的空穴注入层,并研究了ITO/(PEDOT:AA)/MEH-PPV/Al器件的性能.研究结果表明,与采用聚3,4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸(PEDOT:PSS)自组装膜和旋涂膜作为空穴注入层的ITO/(PEDOT:PSS)/MEH-PPV/Al器件相比,器件的发光效率增加,起亮电压降低.我们认为这是由于PEDOT:AA薄膜提供了一种有序层状结构后,减小了ITO与MEH-PPV间的接触势垒,改善了空穴载流子注入效率.进一步的研究表明,由于PEDOT:AA多层膜间靠较弱的亲水、疏水作用结合,这种导电多层有序膜的热稳定性与普通LB膜相似,在较高温度下发生从层状有序态到无序态的变化,这是导致OLED器件性能发生劣化的主要原因.

NPB/Alq_3双层有机电致发光器件薄膜厚度与器件性能的优化

研究了以NPB为空穴传输层、Al_(q3)为发光层的双层异质结有机电致发光器件的薄膜厚度对器件性能的影响.制备了一系列具有不同NPB和Al_(q3)厚度的器件并测试了其电致发光特性.结果表明,器件电流随Al_(q3)与NPB厚度变化的关系并不相同.不同有机层厚度双层器件的电流机制符合陷阱电荷限制(TCL)理论,随外加电压的增大,器件电流经历了欧姆电导区、TCL电流区、陷阱电荷限制.空间电荷限制(TCL-SCL)过渡区三个区域的变化.当有机层厚度匹配为NPB(20nm)/Al_(q3)(50nm)时可以获得性能优良的器件.器件的流明效率-电压关系曲线的变化规律是在低电压区较快达到最大值,然后随电压的增加逐渐降低.

薄膜声表面波器件的制备研究进展

介绍了薄膜声表面波器件的发展历史和特点,以及压电薄膜声表面波器件近年来国际上的研究进展,包括理论研究与实验进展的一些概况,并展望了其今后的发展趋势。

介电可调薄膜材料及压控微波器件研究

利用介电可调薄膜材料的调谐特性研制的介质压控微波器件高频特性好、功率容量大、响应速度快,还有易集成、功耗小、成本低、可靠性高的特点,相比半导体管、铁氧体以及MEMS器件有明显的优势。该文系统介绍了近年来国内外介电可调薄膜材料及压控微波器件的研究进展,并结合作者的工作评述了介电可调薄膜材料和压控微波器件的应用情况。除研究最为集中的钛酸锶钡BaxSr1-xTiO3(BST)材料,还介绍了具有较高调谐率的铋基焦绿石铌酸铋镁Bi1.5MgNb1.5O7(BMN)薄膜材料,该材料介电损耗低(约0.002),介电常数适中(约86),温度系数小,是一种极具发展前景的微波介电可调材料。

Ipsu薄膜体声波器件及其在通信系统中的应用

薄膜体声波谐振器(FBAR)采用一种先进的谐振技术,它是通过压电薄膜的逆压电效应将电能量转换成声波而形成谐振,这一谐振技术可以用来制作薄膜频率整形器件等先进元器件.本文系统介绍了FBAR的结构、工作原理及其在现代通信系统中的应用.

金属-氧化物-半导体硅发光器件在集成电路中的应用前景

集成硅光电子学的目的之一就是为大众市场创造应用广泛、成本低廉的光子互连工具.随着摩尔定律逼近理论极限,集成芯片的金属互连越来越跟不上芯片体积微型化、频率高速化和功耗分配精益化的需求.本文基于硅基发光器件的发展历程,详细论证了金属-氧化物-半导体结构硅发光器件在未来集成电路中的合理应用,提出了全硅光电集成电路在理论和工艺上的可行性.这种电路突破了传统芯片电互连码之间串扰的瓶颈,改善之后的互连速度理论可达光速,有望成为新一代集成芯片的主流.

基于移频外差的高速光电子器件自校准高频分析

高速光电子器件是大容量光通信系统和宽带微波光子系统的基础,器件的高频响应测量对于实现电光和光电转换具有重要的意义.为此,基于光外差理论提出了移频外差方法用于实现从光域光谱到电域电谱的映射,在电域获得光谱和电谱的联合分析.实验中,通过配置电域谱线的频率关系,利用移频外差将所需光载波和边带从光域映射到电域,实现了高速马赫-曾德尔调制器、相位调制器和光电探测器的自校准高频测试,获得了马赫-曾德尔调制器的调制指数、半波电压和啁啾参数、相位调制器的调制指数、半波电压以及光电探测器的响应度等多种高频参数.结果表明,该方法具有宽频段、高分辨率、多参数、自校准测试的优点.

多元氧化物电子薄膜材料的单胞生长模式与界面应力诱导效应的研究

多元氧化物薄膜,特别是ABO_3钙钛矿结构的薄膜由于有铁电、压电、热释电和超导等特性和在多功能电子器件上的广泛应用而成为电子功能材料研究的热点．该文利用激光分子束外延和磁控溅射等薄膜制备技术,采用反射式高能电子衍射(RHEED)对薄膜的生长进行原位实时的检测分析,确定了在不同的工艺条件下氧化物薄膜的层状、层岛混合和岛状生长模式。优化了薄膜的生长条件,实现了对薄膜生长模式的有效控制,绘制出SrTiO_3、BaTiO_3等薄膜的生长模式图谱。测量计算了薄膜的表面活化能和沉积粒子在表面的有效扩散率,发现氧化物薄膜表面的生长运动单元具有活化能小、迁移时间长等重要特点,采用原子力显微镜(AFM)和掠入射XRD对层状生长薄膜的层厚结构进行了精细测量,提出了氧化物薄膜单胞生长动力学模型,即薄膜生长的主要单元是以B-O八面体为主体的单原胞基团．在此基础上,系统地研究了薄膜生长异质界面应力释放行为和对结构性能的影响,在小失配度、中等失配度和大失配度下体现出的不同生长规律,出现了在临界厚度下的相干外延、应变岛、双晶外延和近重位点阵等现象．最后,通过薄膜和衬底的失配度的选择来调整界面应力的影响,并通过工艺条件来诱导薄膜结构取向,如采用薄膜自外延技术和自缓冲层技术,有效地控制和大幅度改善了铁电薄膜、介电薄膜、超导薄膜和热释电薄膜的微结构和电磁性能。

基于薄膜SOI的PDP高压寻址驱动集成电路

基于自主开发的薄膜SOI高低压兼容工艺,研制出一种64位输出的薄膜SOI PDP高压寻址驱动集成电路。测试结果显示,该电路具有80 V驱动电压和20 mA输出电流,电路时钟频率大于40 MHz。

TaN薄膜在微波薄膜匹配负载器件中的应用

本文研究了Ta N薄膜在微波薄膜匹配负载器件中的应用。利用Ta N薄膜设计了工作频率为DC-18GHz,承受功率10W的匹配负载1,工作频率为DC-18GHz,承受功率60W的匹配负载2,以及工作频率为30-35GHz,承受功率为100W的高频高功率匹配负载3。采用磁控溅射制备了Ta N电阻膜,采用掩膜图形化技术制备了所设计的薄膜匹配负载器件。测试结果表明,三款器件的电压驻波比在各自工作频率范围内均小于1.3,和仿真结果基本一致。同时对器件3测试了其功率负载能力,在加载功率100W,加载时间60分钟后,器件表面最高温度为107°C,匹配负载的电阻值变化了1.4%,表明所制备的负载器件具有良好的功率承载能力。

功率集成器件及其兼容技术的发展

功率集成器件在交流转直流(AC/DC)电源转换IC、高压栅驱动IC、LED驱动IC等领域均有着广泛的应用。介绍了典型的可集成功率高压器件,包括不同电压等级的横向双扩散金属氧化物半导体场效应晶体管(LDMOS)以及基于硅和SOI材料的横向绝缘栅双极型晶体管(LIGBT),此外还介绍了高低压器件集成的BCD工艺和其他的功率集成关键技术,包括隔离技术、高压互连技术、dV/dt技术、di/dt技术、抗闩锁技术等,最后讨论了功率集成器件及其兼容技术的发展趋势。

两步电沉积法制备Zn-Fe PBA薄膜及其在电致变色器件中的性能研究

电致变色材料因其颜色随外加电压变化的特性,可用于新型显示器件。目前,彩色电致变色器件(Multicolor electrochromic devices,MCECDs)大多使用几种不同颜色的有机材料制备的,流程较为复杂。为了简化制备流程,本课题组提出了一种具有红、蓝、绿、黄四种典型颜色的普鲁士蓝类似物的复合电致变色(MC-PBA)薄膜,以实现性能优异的变色器件。本工作通过两步电沉积法制备了锌铁普鲁士蓝类似物(Zn-FePBA)薄膜,其循环伏安曲线仅有一对氧化还原峰,对应于FeⅢ/FeⅡ间的氧化还原反应,在10000圈循环后性能几乎不发生衰减。该薄膜为白色且在电化学循环过程中几乎不发生颜色变化,在与MC-PBA薄膜组装相应的电致变色器件(Z-MCECD)时不会对颜色产生影响,并且其作为离子存储层可以显著减低过电势(从4.0 V降低至1.5 V)。得益于此,所组装的Z-MCECD在保有红、蓝、绿、黄四种典型颜色状态的同时,工作电压更低,循环稳定性也得到显著提高(2400 s内透过率调控范围几乎没有发生衰减,在3600s后仍保持有初始的74.4%;而对照组在1200s后发生不可逆的性能衰减)。基于Z-MCECD的电致变色器件在彩色电致变色显示领域表现出相当大的应用潜力。

SEM实验室局域网构建及数据的安全传输

针对扫描电子显微镜(SEM)实验室数据传输的问题,将局域网运用到SEM实验室中,对实验室现有设备进行局域网的组建,组建的局域网具有方便、快捷、提高工作效率且便于规范统一管理流程的优点.提出的方案可以应用于其它分析实验室多台仪器设备数据的传输.

氧化物功能薄膜器件的柔性化策略

以可延展和可弯曲为特点的柔性电子器件因其在信息、医疗、能源等领域的巨大前景而受到众多研究者的广泛关注,成为近年来的研究热点。氧化物功能薄膜材料由于其丰富的电学/磁学/光学等性能及独特的多场耦合特性,成为物理学和材料学的重要研究对象,并被应用于各种电学/光学器件中。随着器件越来越多地应用于各种复杂曲面环境以及与人体或人体组织密切贴合,对氧化物薄膜器件可延展和可弯曲等柔性化的需求日益迫切。由于高质量氧化物薄膜的生长需要较高的温度,且对生长基底和薄膜之间的界面控制要求较高,因此,氧化物薄膜与可延展柔性基底的集成存在很大的挑战。将氧化物薄膜直接沉积在柔性金属箔片或高分子基底上,需要克服金属基底与薄膜界面控制困难或高分子基底对生长温度的耐受性差等困难。在刚性基底上沉积功能氧化物薄膜后,通过剥离、转印到可延展柔性基底上是一种解决方案。但其中的挑战在于如何可控地将薄膜完整地从生长基底剥离。针对这一挑战,发展了通过化学刻蚀牺牲层的化学转印技术和通过范德瓦尔斯外延或激光剥离的物理剥离方法。本文综述了近年来发展的氧化物薄膜器件柔性化的若干进展,归纳了以上几种主要的柔性化策略,包括在金属基底、高分子基底等柔性基底上直接生长和通过化学刻蚀和物理剥离转印等技术实现的柔性化,分析了几种柔性化策略的优势和局限性,总结了柔性氧化物薄膜器件制备中的挑战和机遇。

漂移区覆盖高k薄膜的高压LDMOS器件优化设计

为了获得高耐压、低导通电阻的横向双扩散MOSFET(LDMOS)器件,综合利用高介电常数(高k)薄膜技术和场板技术,设计出一种漂移区表面采用"高k薄膜+氧化层+场板"结构的功率器件,有效降低了PN结弯角高电场和场板边缘峰值电场。使用器件仿真工具MEDICI进行验证,并分析高k薄膜厚度、氧化层厚度、高k薄膜相对介电常数以及栅场板长度对器件性能的影响,最终实现了耐压达到820V、比导通电阻降至13.24Ω.mm2且性能稳定的LDMOS器件。

一种抗负压和抗共模噪声的全集成GaN电平位移电路

设计了一种基于全集成GaN工艺平台,具有抗负压、抗共模噪声的电平位移电路。相较于传统的电平位移电路,通过电路设计将驱动部分的低电压域同高侧部分电路的低电压域保持一致,实现了抗负压的功能。除此之外,针对半桥驱动开关节点的抬升、下降引起内部电容充放电并导致信号逻辑错误的问题,对高侧部分电路进行设计,实现了抗共模噪声的能力。在200 V GaN工艺下,电平位移电路将0~6 V的输入信号转换至200~206 V。仿真结果表明,该电平位移电路的上升传输延时为4.74 ns,下降传输延时为4.11 ns,抗开关节点负压为-4 V,具有100 V/ns共模噪声抑制能力。