期刊信息
期刊名称：微纳电子技术
曾用刊名： 半导体情报
创刊时间：1964年
更名时间：2002年
主管部门：中国电子科技集团公司
主办单位：中国电子科技集团公司第十三研究所
出版日期：每月15日
ISSN：1671-4776
CN：13-1314/TN
邮发代号：18-60
网址：www.bdtq.cbpt.cnki.net
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电话：0311-87091487
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电容式MEMS声发射传感器研究进展
潘珊珊;杨玉华;张赛;电容式微机电系统(MEMS)声发射传感器基于静电感应换能机制，利用敏感微结构捕获材料损伤释放的瞬态应力波，并将机械振动转化为电容变化，进而输出电信号，是结构健康监测中实现早期损伤识别与定位的核心技术。相比传统块体压电传感器，该类传感器具有微型化、高一致性及易于原位集成等显著优势。首先对比了现有MEMS声发射传感器的主要类型；在此基础上，重点阐述了电容式MEMS声发射传感器的理论基础、面外/面内振动传感机理及先进制造工艺，系统梳理了国内外最新研究进展；最后，深入剖析了该技术走向工程实际应用面临的瓶颈挑战，并对其未来的多模态与智能化发展前景进行了展望。
基于MoS2异质结的高性能光电探测器研究进展
潘静雯;郑晓虹;任苏月;二硫化钼(MoS2)因其可调带隙和优异光电特性在光电探测领域具有重要应用潜力，但单一MoS2器件存在载流子复合严重及光谱响应受限等问题。构建异质结被认为是提升MoS2光电探测器性能的关键策略。围绕MoS2/石墨烯、MoS2/过渡金属硫族化合物、MoS2/钙钛矿及MoS2/硅四类典型异质结体系，系统分析了界面能带对齐、内建电场及缺陷调控对器件性能的影响。对比结果表明：Ⅱ型能带对齐与界面工程协同调控是实现高响应度与快速响应的核心机制，而不同体系在响应速度、稳定性及工艺兼容性方面存在显著权衡。最后，指出界面缺陷控制与规模化制备仍是制约基于MoS2异质结的光电探测器应用的关键挑战。
Ti掺杂二硫化钼吸附气体分子的第一性原理研究
施金辛;陈冒硕;石昊朋;许巍;任青颖;李卫;基于密度泛函理论，系统研究了NO、NH3、H_2S和HCHO四种气体分子在本征单层二硫化钼(MoS2)表面及NH3、H_2S和HCHO三种气体分子在Ti掺杂MoS2表面的吸附行为与电学、磁学性质。通过比较不同初始吸附位点，确定了各分子的最稳定吸附构型，并系统计算了吸附能、吸附距离、电荷转移、功函数、恢复时间及态密度等关键参数，以阐明吸附机制并识别敏感气体。结果表明，本征单层MoS2对NH3为物理吸附，对H_2S和HCHO为弱化学吸附，而对NO则为较强化学吸附，且吸附强度与脱附可逆性高度适配，因此对NO最为敏感。能带结构分析显示，NH3、H_2S和HCHO的吸附对MoS2禁带宽度影响较小；NO吸附显著减小体系禁带宽度，主要源于N和O原子的p轨道贡献，吸附后体系总磁矩约1.1μB,使体系呈现磁性。理论分析表明，本征单层MoS2在NO气敏检测方面具有潜力。Ti掺杂MoS2对NH3和H_2S的吸附性能显著增强，且无吸附过强导致的不脱附问题，表现出更优的气敏特性。该研究从电子结构层面揭示了MoS2基材料对不同气体的敏感机理，为高选择性气体传感器的设计与优化提供了理论参考。
基于增益增强自适应稳压结构的鉴频鉴相器和电荷泵电路设计
浦冰玮;董业民;设计了一种基于增益增强自适应稳压结构的鉴频鉴相器(PFD)和电荷泵(CP)电路。首先对鉴频鉴相器和电荷泵的传统结构以及非理想效应进行详细分析，再对电路结构进行改进。鉴频鉴相器在传统三态结构基础上采用对称设计，使输出UP和DOWN控制信号延时一致。电荷泵在主充放电支路中引入增益增强自适应稳压结构，通过局部负反馈稳定充放电晶体管漏极电压，提高充放电支路等效输出阻抗，从而减小电流失配。采用55 nm互补金属-氧化物-半导体(CMOS)工艺和1.8 V电源电压(VDD)进行仿真分析。结果表明，鉴频鉴相器能够在不同相位关系下正确产生控制信号；当电荷泵输出电压在0.4～1.4 V范围内变化时，所设计电荷泵充放电电流失配率小于1.34%,在VDD/2下失配率为0.3%,优于传统源极开关结构。联合仿真结果表明，所设计电路能够实现相位误差检测和电流转换，适用于中高速时钟生成与频率合成锁相环。
光纤光栅外腔半导体激光器的光纤耦合技术研究
任浩;针对980 nm光纤光栅外腔半导体激光器开展了单模光纤耦合技术研究。基于高斯光束传输理论与菲涅耳衍射理论，建立了楔形柱状微透镜光纤与激光二极管(LD)芯片的耦合效率模型，分析了耦合距离、透镜曲率半径(R)及楔角(θ)对耦合效率的影响。在工艺实现上，采用五维微调架进行高精度耦合调试，结合激光焊接技术实现光纤与芯片的固定封装。针对焊接应力导致的功率退化问题，对比了四种焊接顺序对Y方向位移及残余应力的影响，确定最优焊接顺序为先焊前点再焊后点。实验表明：采用R为4μm、θ为95°±5°的微透镜光纤，在优化工艺条件下，器件平均耦合效率约为67.8%,平均耦合功率59.2 mW,功率稳定性得到提高。器件经85℃、96 h高温存储及-55～85℃温度循环试验后功率变化较小，验证了耦合工艺的稳定性和环境适应性。
后段工艺集成的低温铁电氧化铪存储器研究进展
夏凯;王心杨;袁鹏;尹士玉;氧化铪基铁电存储器具备与互补金属氧化物半导体前段工艺兼容、高可微缩、快读写、低工作电压及非易失等优势,是下一代非易失存储的重要候选。然而,铁电正交相的形成通常需高于600℃退火,而后段铜互连工艺温度上限约400℃,两者矛盾。高温易引发铜电迁移与扩散导致互连失效,以及电极/介质层应力失配和界面缺陷。随着技术节点微缩,后段工艺温度上限进一步降低。因此,如何在不超过400℃甚至更低工艺温度下实现铁电相稳定结晶,已成为研究热点。系统综述低温铁电氧化铪存储器研究进展,从铁电起源出发,总结原子层沉积工艺、退火工艺、掺杂工程及界面应力工程等多维策略对实现低温铁电氧化铪的作用机制与调控路径。最后总结低温铁电HfO2存储器面向后段集成仍需解决的相稳定性、可靠性和工艺一致性等问题,并展望无退火工艺、界面缺陷控制及三维集成等后续研发方向。
牛眼增强共面波导狭缝结构太赫兹生物传感器
蒋天晖;王艳红;武京治;针对太赫兹波在高损耗水环境中进行生物传感的物理挑战,提出并设计了一种基于牛眼与共面波导(CPW)狭缝复合结构的太赫兹人工表面等离激元(SSPP)传感器(中心频率157 GHz)。利用同心牛眼光栅激发人工表面等离激元,该器件将太赫兹能量局域至中心亚波长狭缝内并实现近场增强。研究结果表明,器件最大灵敏度约23.8 dB/RIU。在利用该亚波长狭缝检测胶原蛋白水溶液时,5%的体积分数梯度变化可引起0.14 dB透射幅度响应;而在监测胶原蛋白天然高水合态、脱水成膜态至热解旋变性态的完整构象演变时,总反射幅度响应差异达4.67 dB。该传感器对待测物的折射率和损耗角正切变化均具有较好的响应特性,20μm厚度待测物即可达到饱和响应,为太赫兹片上微流控生物传感器设计提供了新的思路。
基于碳化硅精密减薄抛光工艺的超薄晶圆制备
喜奇;许珑;田智勇;刘积桢;马志波;针对4英寸(1英寸=2.54 cm)4H-SiC晶圆在超薄膜加工过程中易破损、面形难控制及亚表面损伤(SSD)难以彻底去除等问题,开展了晶圆级SiC精密减薄与化学机械抛光(CMP)工艺研究。系统分析了研磨盘/垫类型、转速和磨粒粒径等关键工艺参数对材料去除规律的影响,并结合亚表面损伤预测模型,制定了损伤层逐级递减的五步法集成加工工艺,使后续工序去除量能够覆盖前道工序引入的损伤层并保留安全裕量。实验结果表明,采用所提出的集成工艺,将初始厚度为350μm的4英寸4H-SiC晶圆稳定减薄至平均厚度约为27.62μm;加工后晶圆总厚度偏差(TTV)为2.79μm,平均表面粗糙度约为0.28 nm,晶圆边缘保持完整,未观察到宏观裂纹。该研究实现了4英寸超薄SiC晶圆的高质量制备,为法布里-珀罗(F-P)光纤压力传感器及其他微机电系统(MEMS)器件敏感膜片的加工提供了工艺依据和实验数据支撑。
WSe2薄膜的场效应和光电响应特性
代天军;代梅;彭朝烽;周镱;周章渝;郭祥;过渡金属二硫族化合物(TMD)因其独特的结构和物理特性备受关注。以SiO2/Si为基底,采用机械剥离方法制备多层WSe2薄膜,构造出肖特基场效应晶体管器件,研究了WSe2的场效应和光电性能。测试结果表明,WSe2肖特基晶体管呈现双极特性,空穴迁移率达40 cm2·V-1·s-1,电子迁移率为5.6 cm2·V-1·s-1;通过施加不同漏源电场,对Au-WSe2肖特基势垒进行调控,实现WSe2器件从双极特性转变为纯p型单极导电性质,辅以能带分析,揭示了该结果的内在机理。此外,在520 nm波长的光照下,测出WSe2金属-半导体-金属(MSM)光电探测器的响应度为0.8 A/W,上升时间约为40 ms。表明WSe2在电子和光电探测领域具有良好的发展前景。
基于PSO算法结合多相位调控的消色差超透镜研究
孙水平;李智皓;常頔;针对传统参数扫描方法在多波长消色差超透镜设计中效率低、方向性差的问题,提出基于粒子群优化(PSO)结合多相位调控的设计方法。利用PSO算法在参数空间中以预定的目标函数(FOM)为导向,搜索满足设计要求的纳米单元结构参数;获得局部或全局最优解后,结合参数扫描提取该最优解附近满足FOM要求的所有结构参数,建立消色差设计所需的纳米单元数据库。在此基础上,以780 nm为中心波长,计算880和980 nm波长与中心波长入射光的相位差ΔΦ,将其作为传输相位目标从数据库中筛选匹配的纳米单元,并根据中心波长入射光相位分布Φ0确定各位置纳米柱的旋转角θ。采用时域有限差分(FDTD)软件对设计的超透镜进行仿真验证,结果表明三个波长的入射光分别在焦距26.962、27.091、27.307μm处聚焦,基本实现预设焦点附近的消色差聚焦,各波长焦点的半峰全宽(FWHM)均达衍射极限。该方法为超透镜在多波长微纳成像领域提供了高效、有方向性的新途径。
MEMS传感器现状及应用
王淑华;MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。首先,简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。其次,对MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的MEMS传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。介绍MEMS压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEMS传感器的发展趋势进行了展望。
经典分子动力学模拟的主要技术
樊康旗,贾建援综述了分子动力学模拟的基本原理、发展过程及主要应用,介绍了原子间势函数的发展及势参数的确定,给出了分子动力学模拟中相关的有限差分算法、初始条件及边界条件的选取、平衡态系综及其调控、感兴趣量的提取及主要过程。最后还指出了分子动力学模拟方法本身进一步的研究方向。
MEMS传感器现状及应用
王淑华;MEMS传感器种类繁多,发展迅猛,应用广泛。首先,简单介绍了MEMS传感器的分类和典型应用。其次,对MEMS压力传感器、加速度计和陀螺仪三种最典型的MEMS传感器进行了详细阐述,包括类别、技术现状和性能指标、最新研究进展、产品,及应用情况。介绍MEMS压力传感器时,给出了国内外采用新型材料制作用于极端环境下压力传感器的研究情况。最后,从新材料、加工和组装技术方面对MEMS传感器的发展趋势进行了展望。
超级电容器材料及应用研究进展
石文明;刘意华;吕湘连;张瑞荣;何洋;作为新型储能装置之一，相较于传统储能装置，超级电容器具有功率密度高、使用寿命长、充放电速率快等优越特性，因而受到了研究者们的广泛关注。介绍了超级电容器的发展历程、分类及工作原理；概述了应用于超级电容器的碳基材料、过渡金属氧化物、导电聚合物及复合材料等电极材料的研究进展；阐述了超级电容器在工业、电力、汽车、航空等领域以及柔性超级电容器在可穿戴电子产品中的应用状况；分析了当前超级电容器的不足及面临的挑战；总结了超级电容器新的可能应用领域(如生物、医疗和神经形态学计算等领域)及新的研究方向(如超级电容器精确数学模型等)。
薄膜材料研究中的XRD技术
周元俊;谢自力;张荣;刘斌;李弋;张曾;傅德颐;修向前;韩平;顾书林;郑有炓;晶格参数、应力、应变和位错密度是薄膜材料的几个重要的物理量,X射线衍射(XRD)为此提供了便捷而无损的检测手段。分别从以上几个方面阐述了XRD技术在薄膜材料研究中的应用:介绍了采用XRD测量半导体薄膜的晶格参数;结合晶格参数的测量讨论了半导体异质结构的应变与应力;重点介绍了利用Mosaic模型分析位错密度,其中比较了几种不同的通过XRD处理Mosaic模型,且讨论了它们计算位错密度时的优劣。综合XRD技术的理论及在以上几个方面的最新研究进展,对XRD将来的发展做出了展望。
经典分子动力学模拟的主要技术
樊康旗,贾建援综述了分子动力学模拟的基本原理、发展过程及主要应用,介绍了原子间势函数的发展及势参数的确定,给出了分子动力学模拟中相关的有限差分算法、初始条件及边界条件的选取、平衡态系综及其调控、感兴趣量的提取及主要过程。最后还指出了分子动力学模拟方法本身进一步的研究方向。
柔性可穿戴电子的新进展
卢忠花;王卿璞;鲁海瑞;袁帅;王丹丹;综述了近期柔性可穿戴电子的研究进展以及在现代生活中的发展应用,阐明了柔性薄膜电子在医学和生活娱乐等领域的发展方向和潜在应用,特别是在医疗领域,柔性电子的发展与应用将是人们未来生命健康监测与治疗的主流方向。详细介绍了以聚酰亚胺等聚合物材料为基底的薄膜电子器件的发展类型,并且阐述了分别以聚合物薄膜材料和导电织物为基底的柔性电子设计。论述了制约柔性可穿戴电子在未来发展研究中的问题,并对柔性可穿戴电子的发展趋势进行了展望。