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面向微集成的金刚石NV色心与微波天线的一体化

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微纳电子技术 2022年第2期59卷 151-155,168页

作者：袁华马宗敏郑斗斗王雪敏柴笑晗中北大学省部共建动态测试技术国家重点实验室太原030051 中北大学仪器与电子学院太原030051

针对金刚石氮空位(NV)色心量子传感器中微波天线体积大、无法与金刚石紧密接触造成天线与金刚石位置不固定、引起传感器灵敏度低的问题,设计了一种将微波天线集成到金刚石NV色心的一体化方法。采用导电性更强的金薄膜作为天线材料,通过... 详细信息

针对金刚石氮空位(NV)色心量子传感器中微波天线体积大、无法与金刚石紧密接触造成天线与金刚石位置不固定、引起传感器灵敏度低的问题,设计了一种将微波天线集成到金刚石NV色心的一体化方法。采用导电性更强的金薄膜作为天线材料,通过高频结构模拟器(HFSS)仿真软件确定天线尺寸。利用微纳加工工艺和磁控溅射技术在金刚石NV色心表面制作了微波天线,实现了金刚石一体化微波天线。对金刚石一体化微波天线的仿真与实验数据进行对比分析。与传统微波天线相比,设计的天线体积缩小约50%,激发荧光效率和磁场灵敏度分别提升了约20倍和约10 nT/Hz^(1/2)。该方法结合3D打印技术可有望大幅缩小金刚石NV色心量子传感器的体积,对量子器件的微集成化发展具有重要意义。

关键词：量子传感器微波天线氮空位(NV)色心微纳加工工艺微集成

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MoRe合金超导微波平面腔的制备

低温物理学报 2018年第6期40卷 55-60页

作者：袁龙中国科学院量子信息重点实验室中国科学技术大学

超导微波平面腔作为多种量子比特的读出方式及实现多比特长程耦合的媒介,已成为固态量子信息处理领域的研究热点.相比于传统的Al腔,MoRe腔不容易氧化,使得MoRe腔能够更加方便地用于机械振子、石墨烯超导结等实验研究中.同时由于第二类... 详细信息

超导微波平面腔作为多种量子比特的读出方式及实现多比特长程耦合的媒介,已成为固态量子信息处理领域的研究热点.相比于传统的Al腔,MoRe腔不容易氧化,使得MoRe腔能够更加方便地用于机械振子、石墨烯超导结等实验研究中.同时由于第二类超导体MoRe合金具有临界温度高、临界磁场大等优异性质,这使得MoRe合金超导微波平面腔可以在4.2K的液氦环境下工作,而且这种腔能够工作在更高磁场的环境下.因此本文设计并且仿真了MoRe合金微波平面腔的结构,探索了MoRe微波平面腔的微纳加工工艺(包括磁控溅射镀膜、光刻及干法刻蚀),解决了制备过程中出现的金属孤岛等工艺问题,成功制备出在20mK的环境下Q值高达28000的MoRe合金超导微波平面腔.

关键词： MoRe合金超导微波平面腔微纳加工工艺

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强耦合串联石墨烯纳米机械振子

低温物理学报 2019年第2期41卷 97-102页

作者：汪开龙中国科学技术大学中国科学院量子信息重点实验室

与微米机械振子相比,纳米机械振子使用纳米级材料制备,尺寸更小,质量更轻,它作为探测器,在探测力、质量等物理量时拥有更高的灵敏度.石墨烯有高强度、低密度等优良的机械特性,被认为是制备纳米机械振子的理想材料.基于其制备的石墨烯纳... 详细信息

与微米机械振子相比,纳米机械振子使用纳米级材料制备,尺寸更小,质量更轻,它作为探测器,在探测力、质量等物理量时拥有更高的灵敏度.石墨烯有高强度、低密度等优良的机械特性,被认为是制备纳米机械振子的理想材料.基于其制备的石墨烯纳米机械振子有着高谐振频率、高品质因子和谐振频率可调性高等优势,对于纳米力学的基础研究和应用都具有重要的意义.本文利用微纳加工工艺(包括电子束曝光、电子束蒸发镀膜、反应离子刻蚀和微米级定点干法转移技术)制备了串联石墨烯纳米机械振子样品,并在极低温下(10mK)测量了石墨烯机械振子的机械性质,实现两个串联石墨烯纳米机械振子的强耦合,耦合强度为1.34MHz,协同系数C=399.

关键词：石墨烯纳米机械振子微纳加工工艺耦合强度协同系数强耦合

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纳米间隙器件结构优化及机理研究

纳米间隙器件结构优化及机理研究

作者：杨文鑫东南大学

学位级别：硕士

电子在半导体沟道内的输运难免产生碰撞和散射,限制了迁移速度、带来了能量耗散,是需要利用新概念和新工艺解决的瓶颈问题。通过制备特征尺寸小于电子在大气中平均自由程的真空态纳米间隙结构,电子在没有真空封装的条件下也能实现弹道输... 详细信息

电子在半导体沟道内的输运难免产生碰撞和散射,限制了迁移速度、带来了能量耗散,是需要利用新概念和新工艺解决的瓶颈问题。通过制备特征尺寸小于电子在大气中平均自由程的真空态纳米间隙结构,电子在没有真空封装的条件下也能实现弹道输运,有效地提高了集成电路器件的工作频率、降低了功率损耗。对于这种新型的器件形式,在器件设计、电流调制机制和电路应用等方面需要大量的研究工作。本论文基于平面型背栅纳米间隙结构,对真空纳米间隙晶体管的制备方法及其电学特性进行研究。通过研究影响器件电子发射特性与栅极调制特性的主要因素,本论文总结了器件优化的一般规律,并提出合适的理论模型为器件设计提供支撑。最后进行了将真空纳米间隙器件应用在功能电路中的尝试,为器件的进一步发展提供了研究方向。本论文取得的主要研究成果如下:(1)验证了漏极电流源自场致电子发射,据此设计了高曲率叉指状阵列的源极结构,实现了低驱动电压、高漏极电流的真空纳米间隙晶体管器件。(2)通过器件物理模拟证实了栅极介质层厚度参数与器件亚阈值摆幅间的对应关系,确定了降低栅极介质层厚度以提高器件转移特性的设计思路。据此对器件进行了优化和测试,通过高k值栅极介质层和图案化栅极的制备,同时实现了栅极泄漏电流的抑制和栅极调制性能的增强。(3)分析了器件工作时栅极电压对沟道内部电场的影响,指出仅基于真空电子学理论的器件机理存在不足,补充了基于半导体物理学和固体物理学的器件工作机理模型,较好地解释了器件实测性能表现,为器件设计提供了理论支持。(4)研究了基于真空纳米间隙晶体管的反相功能电路性能,测试了真空纳米器件反相电路,并分析出电路失效的原因。

关键词：微纳加工工艺真空纳米电子器件场致电子发射

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基于硅波导的超短激光脉冲传输研究

基于硅波导的超短激光脉冲传输研究

作者：王潇春国防科技大学

学位级别：硕士

随着当今军民各行业领域对信息处理需求的急剧增加,高性能计算和高速通信获得了快速发展,使得光通信和光计算迅速走上信息科技的舞台,并展现出其在高速率、大容量信息的传输、存储、交换与处理上的极大优势。其中,硅基集成处理器件将在... 详细信息

随着当今军民各行业领域对信息处理需求的急剧增加,高性能计算和高速通信获得了快速发展,使得光通信和光计算迅速走上信息科技的舞台,并展现出其在高速率、大容量信息的传输、存储、交换与处理上的极大优势。其中,硅基集成处理器件将在高速信息处理及微波光子学等集成光子应用领域有良好的前景,研究激光脉冲在硅基光波导中的传输特性,特别是时域展宽和压缩特性,可为硅基集成处理器件设计提供重要依据。本文通过模拟仿真和实验验证相结合的方式,完成了硅基波导器件的制备和测试,探讨了超短激光脉冲在硅基光子晶体波导和硅纳米线波导中的传输特性,并通过传输特性和压缩特性分析为设计加工的优化提供依据,还进行了不同温度硅纳米线波导器件的传输特性和压缩现象的实验研究。主要完成的工作如下:(1)基于XFROG测量系统,分析不同能量输入脉冲在不同温度的硅基纳米线波导中的传输特性。分析了不同能量脉冲输入的传输后脉冲的蓝、红移及加速情况等;分析了不同情况下输出脉冲的展宽和压缩现象,发现飞秒脉冲时域脉宽由242fs到195.4fs的压缩。(2)基于XFROG测量系统对硅光子晶体波导输出脉冲的测量,观察到当时间孤子在中心波长1555nm处通过Si-PhCW时,脉冲的展宽因子为1.74,并伴随蓝移、红移和脉冲加速等现象,与优化后的非线性薛定谔方程(NLSE)仿真结果吻合。而且,仿真结果表明,在中心波长1555nm的脉冲传输过程中产生了周期性的最窄到嵌套周期的突变,具有类似于“呼吸”的现象。(3)探索了硅基光波导器件的微纳加工工艺,通过紫外光刻、电子束曝光(EBL)、深硅刻蚀(ICP)、反应离子刻蚀(RIE)、湿法腐蚀、电子束蒸发、等离子增强型化学气相沉积(PECVD)等器件制作工艺流程和参数优化,主要实现了包含硅纳米线波导、硅基空气桥硅基光子晶体波导的工艺设计及制作。本文获取的硅基光波导微纳器件加工工艺,以及皮秒脉冲、飞秒脉冲在硅基光波导中的传输特性,将为硅基光波导中超短脉冲的传输分析提供理论和实验基础,并为硅基集成光子处理器件的研制及应用提供参考。

关键词：光子处理器硅基波导超短脉冲传输特性非线性效应微纳加工工艺

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平面型纳米真空沟道器件研究

平面型纳米真空沟道器件研究

作者：堵月红东南大学

学位级别：硕士

传统真空电子器件的电子输运方式是在真空中无碰撞输运,使其具有高频率、高功率和在极端环境中的稳定性等优势,被广泛应用于军事和航天航空等领域中。但其需要严格的真空包装造成体积过大,难以实现小型化和集成化,随着集成电路的发展,... 详细信息

传统真空电子器件的电子输运方式是在真空中无碰撞输运,使其具有高频率、高功率和在极端环境中的稳定性等优势,被广泛应用于军事和航天航空等领域中。但其需要严格的真空包装造成体积过大,难以实现小型化和集成化,随着集成电路的发展,逐渐在低频低功率范围内被固态器件所替代。近年来,在通信、探测等领域对器件的响应频率提出了更高的要求,固态器件不仅受限于摩尔定律半导体器件发展瓶颈,且固态器件中载流子输运过程容易受到晶格散射及碰撞的影响,难以满足高频的需求。为了突破该瓶颈,研究人员利用先进的微纳加工工艺,制备了沟道长度小于电子在空气中平均自由程的纳米真空沟道器件,其结合了传统真空电子器件和固态器件的优势,可以实现在低真空或者大气下进行弹道输运而满足高频率需求,同时不需要严格的真空包装而实现小型化和集成化。本文以平面型纳米真空沟道器件为研究对象,通过数值仿真模拟对器件直流特性计算分析,确定了器件的结构与尺寸,利用微纳加工工艺制备了平面型纳米真空沟道器件,并对其进行了电学性能的测试与分析。并在此基础上,对器件进行频率特性仿真研究,优化设计器件。主要取得的研究成果如下:(1)利用CST和COMSOL对纳米真空沟道器件的直流特性进行数值模拟计算。首先探索了沟道长度、阴极尖端曲率半径和电极厚度对器件阴极发射性能的影响。在此基础上,研究了栅极不同形貌配置对器件的输出特性曲线、转移特性曲线、电子轨迹以及电场分布的影响,并优化设计器件。提出的切栅型与半环栅型纳米真空沟道器件,提高平面型器件的阳极电流和改善器件的栅极调控能力。(2)利用电子束曝光、紫外曝光和电子束蒸发镀膜等微纳加工工艺制备出沟道长度40nm的双栅型纳米真空沟道器件,并结合扫描电子显微镜和其配套的纳米机械手对器件进行电学性能测试。测出最低开启电压低至6V,多次重复测试,测试结果显示器件具有较好的重复性。另外对器件的输出特性曲线和转移特性曲线进行测试分析,测试结果显示平整的双栅极器件栅极调控能力较差,为了改善这种情况,将栅极切除靠近阳极的那部分,测试结果表明切栅型器件具有一定的调控能力,为后续的优化器件提供了思路。(3)利用Silvaco TCAD对平面型器件进行频率仿真计算,分析了器件的阴极形貌、沟道长度和静态工作点对器件截止频率的影响。可以通过将阴极发射端由平整型改成尖端型、沟道长度缩小以及提高栅极电压减小阳极电压等手段优化器件频率特性。最后,基于直流特性和频率特性的分析研究,对双侧切栅型纳米真空沟道器件进行优化设计。

关键词：纳米间隙场致电子发射微纳加工工艺纳米真空沟道器件

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场发射冷阴极的技术现状及其应用研究进展

真空电子技术 2020年第3期33卷 1-14页

作者：徐季张建李孟杰史永佼施予同吴量李新宇张晓兵东南大学电子科学与工程学院信息显示与可视化国际合作联合实验室江苏南京210096

基于场发射冷阴极的真空电子器件被广泛应用于通讯、医疗、安全监测等领域,本文主要回顾了近年来场发射冷阴极及其真空电子器件的最新研究进展,介绍了现行冷阴极中使用的低维纳米材料和新型复合式结构,详细探讨了场发射冷阴极在微波管... 详细信息

基于场发射冷阴极的真空电子器件被广泛应用于通讯、医疗、安全监测等领域,本文主要回顾了近年来场发射冷阴极及其真空电子器件的最新研究进展,介绍了现行冷阴极中使用的低维纳米材料和新型复合式结构,详细探讨了场发射冷阴极在微波管、电子显微技术、X射线管及真空纳米间隙晶体管中的应用现状。最后,着重阐述了真空电子微系统的科学概念,并对未来的应用前景进行了展望。

关键词：场发射冷阴极真空微纳电子器件低维纳米材料微纳加工工艺真空微系统

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埋氧层内应力对微悬臂梁加工断裂的影响机理研究

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新技术新工艺 2016年第9期 35-40页

作者：仲仁赵钢陈建锋刘光丽刘杰褚家如中国科学技术大学精密机械与精密仪器系安徽合肥230027

研究了在Smart-cut方法下制作的SOI硅片中热应力产生的来源,以及热应力的分布、数值和范围。对微悬臂梁制作过程的几个阶段进行了建模,通过仿真,探讨了不同热应力对微悬臂梁制作过程产生的影响,并在ANSYS软件中对优化的加工工艺可行性... 详细信息

研究了在Smart-cut方法下制作的SOI硅片中热应力产生的来源,以及热应力的分布、数值和范围。对微悬臂梁制作过程的几个阶段进行了建模,通过仿真,探讨了不同热应力对微悬臂梁制作过程产生的影响,并在ANSYS软件中对优化的加工工艺可行性的仿真和制作时断裂现象进行了验证。研究了SOI中埋氧层内应力影响微纳加工工艺的机理,特别针对内应力使微悬臂梁制备产率下降的副作用进行了分析。研究结果在基于SOI制造的微传感器领域中具有重要的作用。

关键词： MEMS 微悬臂梁埋氧层内应力微纳加工工艺 ANSYS仿真

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非对称结构相变存储单元制备及性能研究

纳米科技 2011年第1期8卷 16-18,25页

作者：鄢俊兵温学鑫程晓敏缪向水华中科技大学电子科学与技术系湖北武汉430074 山东华芯半导体有限公司山东济南250101

采用光刻、溅射以及剥离等微纳制备及加工工艺,实现了非对称结构相变存储单元的制备,并对该非对称相变存储单元进行了直流及脉冲电流写入电特性测试,测试结果表明,该非对称相变存储单元可实现非晶态与晶态之间的可逆相变,且脉冲电流写... 详细信息

采用光刻、溅射以及剥离等微纳制备及加工工艺,实现了非对称结构相变存储单元的制备,并对该非对称相变存储单元进行了直流及脉冲电流写入电特性测试,测试结果表明,该非对称相变存储单元可实现非晶态与晶态之间的可逆相变,且脉冲电流写入的特性稳定。当写脉冲宽度分别为20ns、30ns、40ns时,最小写电流分别为1.45mA、1.38mA和1.25mA。写入脉冲宽度一定时,施加的写入脉冲电流越大,写入操作后相变单元相变层非晶化程度越高。

关键词：相变存储器非对称微纳加工工艺