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科研进展

近几年,中心通过承担多项国家及省部级等重大科研任务,在如下几个方向取得进展:

 

(1)Q高频/射频谐振器件、微纳器件的可靠性表征方法

 

成功研制了高质量的圆盘结构微纳谐振子(最高频率达400 MHz,大气中Q值大于8600,到目前为止报道的国内最好性能)、基于微悬臂梁的高灵敏力传感器、用于肝癌早诊的生化传感器和红外探测器。研究了多种MEMS/NEMS薄膜材料力学性能及可靠性,建立了MEMS/NEMS薄膜材料和器件可靠性数据库,为微纳器件产业化提供了重要技术支撑。15篇通讯作者文章已发表在IEEE JMEMSJ. Micromech. Microeng. (JMM)IEEE MEMS 2012/2011Transducers’ 2011等本领域顶级期刊和会议上。已申请中国发明专利14,授权5项。其中一篇文章在JMM发表一个半月,下载量超过500次。下图为纳米加工制作的高Q圆盘结构微纳谐振子:

 

 

率先建立了宽频谱的微纳机电谐振器件表征系统,为高质量新型高频/射频微纳机电谐振器件研究奠定了牢固基础。在国内率先组建了两套微纳尺度薄膜和器件可靠性测试平台。微纳尺度共振体的、具有样品表面处理和可控样品环境条件的通用测试平,覆盖微纳共振体研究要求的全部频谱范围,即从9 kHz6 GHz,其中,激光多普勒振动测量系统探测从9 kHz24 MHz,非线性机电混频测试系统探测从10 MHz6 GHz。能够开展新材料(SiSiC等)、新结构构型(悬臂梁、扭矩、盘型、桥结构等)、新振动模式的研究,能够开展微纳共振体能量损失机制的研究、器件性能优化的研究、微纳器件可靠性的研究。这些研究内容不仅将极大地丰富人们对微纳共振体的认识,而且能够促进高频和射频器件的研制,包括新型相控阵雷达中最关键的T/R组件的核心器件(即MEMS射频开关)和下一代无线通讯和卫星通信用MEMS射频器件等。研制的设备将对国内MEMS单位开放,将全面促进国内微纳共振体研究和应用的发展。实验室在低温圆片级键合方法方面的研究达到国际先进水平,并在低温圆片级局域加热键合技术、低温圆片级聚合物键合方面、低温圆片级富Sn成分Au-Sn键合和三维低温圆片级封装方法方面取得了突破性进展。承担了科技部973项目水环境监测无线网络微传感器芯片系统基础研究(2009CB320300)和科技部973项目基于纳米技术的肝癌早期诊断的研究(2011CB933102)等课题的研究工作。

 

(2)硅基纳米结构晶体管

 

在国家自然基金和863项目的支持下,在硅基纳米结构晶体管研究及半导体纳米加工能力方面获得多项突破,相关结果发表在Journal of Nanoscience and NanotechnologyJournal of SemiconductorsIEEE International Conference on Solid-State and Integrated Circuits Technology Proceedings等国内外知名专业期刊和会议文集上,相关论文15篇,申请专利11项,其中大部分已经授权。硅点接触纳米结构晶体管利用电子束光刻、ICP刻蚀及化学湿法腐蚀等纳米加工工艺,制作出了依赖于晶面的点接触硅纳米结构实现了最小尺寸为20nm的硅点接触纳米结构,通过热氧化可以实现硅纳米结构尺度的进一步缩小。硅点接触纳米结构晶体管如下图所示:   

 

在硅纳米线阵列结构FinFET器件的研究中,利用化学腐蚀方法,制备了悬空硅纳米线结构,硅纳米线宽度达到30nm, 厚度可达6nm。实验结果表明,硅纳米线宽度越小,围栅长度越长,器件的的亚阈值斜率和阈值电压漂移越小。器件的饱和电流依赖于硅纳米线晶面和沟道晶向,在(110SOI材料上硅纳米线沟道<110>晶向的器件饱和电流要比<100>晶向提高约10%。悬空纳米线热氧化产生的翘曲张应力有助于载流子迁移率的提高,同时并行多沟道纳米线结构有效扩展了导电沟道宽度,单位栅长上的饱和电流密度可比平面结构器件高20%左右。当硅纳米线直径小于10nm以下时,载流子在垂直输运方向的运动受到限制,能带分裂为子带。随着栅压的增大,载流子逐渐占据更多的子带,出现依赖于温度的振荡峰。具有量子限制效应的FinFET器件如下图所示: 

 

 

     我们还基于生物学原理,结合FinFET制程关键技术,开发了脉冲耦合CMOS神经元电路,用于模仿生物神经元细胞体的电学功能,输出脉冲串信号。神经元作为神经网络系统的结构和功能的基本单元,其电路模型的硬件实现是整个神经网络硬件实现的最关键问题,已成为神经网络研究的热点课题之一。脉冲耦合神经元电路在脉冲耦合、时空累加、生物不应期这三方面比传统人工神经元更好地模仿了生物神经元,它提供了一种有效的模拟手段来研究网络中同步脉冲的动力学性质。目前国际上称脉冲耦合神经网络为第三代人工神经网络。我们基于生物神经元细胞膜的电学特性,设计制造的脉冲耦合CMOS神经元电路能够实现连续脉冲串的输出,输出波形频率依赖于单端输入的电压信号幅度和多端输入信号的二进制编码,很好地模拟了生物神经元的电学特性。在此基础上,提出了一种新颖的应用于图像分割的脉冲耦合神经网络概念。该网络通过权重自适应电路将神经元电路进行互联,使得同一区域的神经元同步发放脉冲信号。基于FinFET的神经元电路芯片及特性如下图所示:

 

 

 

   (3)相变存储器

相变存储器被认为是下一代存储器的候选者之一因而成为目前存储器领域的研究热点。目前已经有部分产品实现了产业化,但PCRAM要真正取代当前的闪存仍有几个问题需要解决。其中最为主要的是重置电流过大从而影响了存储密度的提升。针对这一问题,世界各大半导体厂商及研究所均在加紧开展这一方面的研究。此外,新型相变材料的研究也是当前的热点。基于以上背景,结合中心的工艺平台,我们开发了一种纳米尺度相变材料器件级电学表征的工艺流程,开展了一些列研究,取得了良好的结果,发表SCI论文5篇,申请专利超过20项,授权3项。基于该流程,正在开展纳米尺度相变材料相变机理的原位TEM研究,主要包括以下两个方面:

PRAM水平结构器件: 水平结构器件尽管在存储器密度上不如垂直器件,但其结构工艺简单,并且在表征新型相变材料和机理研究方面具有独特的优势。目前,纳米尺度水平器件的制备一般都需要用到电子束曝光、FIB等方法,这在一定程度上限制了器件的制备效率。基于此,首次提出了使用牺牲侧墙方法制备纳米尺度水平器件的方法,并成功地得到了基于普通光学光刻的纳米器件并展示了相关电学特性。使用牺牲侧墙方法所得到的金属电极的间距由侧墙材料的淀积厚度决定,与光刻分辨率无关,因此金属电极的间距可以很小。电学测试表征证明,牺牲侧墙方法制备的器件其阈值电流和擦写电压都明显优于大尺寸器件。相关结果如下图:

 

Figure1(a)    Figure1(b)    Figure2(c)

 

图示为牺牲侧墙方法制备纳米尺度水平结构PRAM流程图;b.利用牺牲侧墙方法得到的间距17nm的电极阵列;c.牺牲侧墙方法制备的间距为88nm的器件;d. 88nm器件与基于普通光学光刻所得4.6um器件的IV特性对比;e. 4.6um器件的R-V特性;f .88m器件的R-V特性

PRAM垂直结构器件:PRAM是目前业界研究的主流,目前业界研究的重点集中在如何减小重置电流,其中,减小底部电极的尺寸被公认为是最有效的方法之一。底部电极制备的关键工艺是纳米尺度绝缘孔径内金属的填充制备,目前,业界主要采用CVD填孔而后CMP抛光的方法制备。该方法所使用的设备极为昂贵,工艺控制也较为困难,此外CVD方法的小孔填充能力仍有待于进一步的提高改善。在世界范围内我们首次将化学镀工艺引入到金属插塞电极的制备,如图2.2。研究结果表明,使用ELD方法,在SMIC90nm样品内,超过一半的小孔得到了良好的填充。在AAO模板内,ELD方法成功地实现了50nm小孔内金属的良好填充。这表明了ELD方法在纳米尺度小孔内具有卓越的填充能力. 图示ELD方法用于SMIC90nm样品插塞电极制备的低倍率SEM照片;b. ELD方法用于SMIC90nm样品插塞电极制备的高倍率照片以及统计结果;c. ELD方法用于AAO模板内插塞电极制备的SEM照片:

 

图片4

 

我们成功地突破了金属插塞电极制备这一PRAM的关键工艺,为最终的器件制备及相关研究奠定了坚实的基础。如图2.3,我们成功基于ELD方法进行了大尺寸垂直器件的流片制备。图示使用ELD方法制备8um大小的金属插塞电极;b.使用ELD方法制备的大尺寸垂直器件的最终光学照片;c. ELD方法制备器件的IV特性,结果如下:

图片1 

 

 

(4)高效太阳电池

 

随着人类对能源的需求与日俱增,作为可再生能源之一的太阳能电池一直是人类研究的重点方向之一。要实现太阳能电池的大规模应用,一方面需要提高太阳能电池的光电转换效率,另一方面要降低电池的成本。而对于单结的太阳能电池效率的进一步提高变得非常困难,因此高效的太阳能电池的研制成为新的研究热点。近几年,中心在GaAs单结和多结太阳能电池工艺研究方面开展了一系列有影响力的工作。完善了电池后工艺制备的整个流程(下图给出了简要的流程示意图),掌握了其中几步关键的工艺步骤,如正面电极的优化、厚胶剥离工艺制备正面金属电极、单结GaAs电池的帽层选择性腐蚀。完善优化的电池工艺制备流程不仅为半导体所其它太阳能电池研究组提供了合作服务,并且也为北京市的一些高校相关课题组提供了服务,体现了本中心的价值所在。


 

 另外,针对近几年的研究热点金属表面等离子体激元(SPP)增加太阳能电池陷光,我们在GaAs薄膜电池上进行了较为深入系统的研究。通过制备并优化电池表面的金属纳米颗粒结构,使得GaAs薄膜电池的短路电流密度提高了14.2%,具体的结果如下所示。据我们所知,该结果在国际上还是首次报道,相关结果也已发表在太阳能电池领域的顶级期刊上,目前已获得了较高的引用率。现在,就太阳能电池研究方面,中心在《Sol. Energy Mater. Sol. Cells 》、《Optics Express 》、《Chinese Phys. B》等国内外知名期刊上已发表文章10余篇,申请国家发明专利2项。

 

 




 

 



 
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