场发射冷阴极微栅孔阵列制备技术

实现了一种采用聚苯乙烯纳米球自组装技术和微机械制造技术加工的场发射阴极用亚微米栅极微孔阵列。设计了一套完整的工艺实验方案,首先采用微球自组装技术获得了亚微米级金属网孔掩膜,然后通过反应离子刻蚀技术获得了亚微米栅极孔阵列,从而实现了集成度高、分布均匀的周期性亚微米孔洞阵列的制备,微孔集成度达到108cm-2。实验研究了氧气刻蚀聚苯乙烯微球的规律。采用金属掩膜,四氟化碳干法刻蚀二氧化硅,获得了深度为500 nm的微孔。实验结果证明该工艺方案是一种获得大面积、均匀分布、集成度高的场发射冷阴极栅孔阵列的有效方法。     

六硼化镧场发射阴极阵列的制作及特性

 采用氧等离子体氧化刻蚀工艺,制备出尖锐的六硼化镧（LaBLaB₆）微尖锥场发射阵列。在二极管结构中测试了LaB₆-FEAs的场发射性能,得到了真空度为5×10^-5 Pa 下的I-V曲线及相应的Fowler-Nordheim节点。结果表明,由于LaBLaB₆材料较低的逸出功,使得阴极的开启电压较小,开启场仅为7 V/μm。此外,将氧等离子体氧化刻蚀方法与氩氧等离子体刻蚀方法和电化学刻蚀方法进行了比较,表明氧等离子体氧化刻蚀方法是制备LaB₆场发射阴极阵列的一种理想工艺。     

单晶LaB6场发射阵列的电化学腐蚀工艺

 六硼化镧（LaB₆）场发射尖锥阵列的刻蚀工艺是制备LaB₆场发射阵列阴极的关键。在(111)面单晶LaB₆基片上,用等离子体增强化学气相沉积法制备氮化硅层做掩膜,光刻后采用电化学腐蚀方法对基片进行刻蚀,得到具有一定高度的LaB₆尖锥场发射阵列。讨论了单晶LaB₆的电化学腐蚀机理。改变各种电化学腐蚀参数,包括电解液成分、电解液浓度、阳极所加电压,用电子扫描显微镜观察样品形貌。结果发现H₃PO₄是刻蚀单晶LaB₆的理想电解液,它克服了过去电化学实验中经常遇到的尖锥各向异性问题。随着电解液浓度或阳极电压的增大,尖锥高度增加,但是基底表面变得更为粗糙。另一方面,阳极电压太小时,有横向刻蚀现象产生,不利于提高发射体的场增强因子。此外,在二极管结构中初步测试了LaB6尖锥场发射阵列的电流发射特性,在真空度2×10^-4 Pa、极间距离0.1 mm、阳极电压900 V下,发射电流达到13 mA。     

六硼化镧薄膜场致发射的特性

阵列薄膜是在制备好的尖锥阵列上沉积其他材料的薄膜,以提高场发射阴极性能,它是一种有效的提高场发射阴极性能的方法。在n型硅片上先后采用氧化、光刻、干法刻蚀、氧化削尖等工艺,制备出曲率半径很小的硅尖锥场发射阵列,硅阵列中每个硅尖锥的底半径约2μm,锥高约1.04μm,每个硅尖之间间隔6μm,尖端的曲率半径约50nm,锥角约56°,尖锥阵列的密度约106/cm2。为了降低硅尖锥的功函数及提高抗离子轰击能力,通过电子束蒸发在硅尖阵列上沉积六硼化镧(LaB6)薄膜,薄膜的厚度大约50nm,锥尖曲率半径变为约111nm。X射线衍射(XRD)分析结果表明,电子束沉积在硅尖端的LaB6具有良好的结晶特性。硅尖锥及不同的真空度下阵列薄膜的场致发射I-V特性及电流发射稳定性的测试结果表明:沉积LaB6的薄膜阴极阵列的总发射电流达到125μA,是纯硅尖锥阵列125倍。并且硅阵列六硼化镧薄膜具有良好的场发射稳定性,是一种理想的薄膜场发射阵列。     

一种平行背栅极碳纳米管阵列的场增强因子计算

建立一种平行背栅极碳纳米管阵列阴极,基于电场叠加原理,利用镜像电荷法对其进行计算,给出碳纳米管顶端表面电场增强因子。在此基础上,进一步分析器件各类参数对电场增强因子的影响。分析表明,碳纳米管阵列阴极具有最佳阵列密度,其对应碳纳米管间距大约为碳纳米管高度的两倍,靠阴极阵列边缘部位的碳纳米管发射电子能力比其中心部位的大。除了碳纳米管的长径比之外,栅极宽度、栅极厚度和栅极间距等也对电场增强因子有一定的影响:栅极越宽,场增强因子越大;而栅极厚度、栅极间距越大,场增强因子就越小。     

一种平行背栅极碳纳米管阵列的场增强因子计算

建立一种平行背栅极碳纳米管阵列阴极,基于电场叠加原理,利用镜像电荷法对其进行计算,给出碳纳米管顶端表面电场增强因子。在此基础上,进一步分析器件各类参数对电场增强因子的影响。分析表明,碳纳米管阵列阴极具有最佳阵列密度,其对应碳纳米管间距大约为碳纳米管高度的两倍,靠阴极阵列边缘部位的碳纳米管发射电子能力比其中心部位的大。除了碳纳米管的长径比之外,栅极宽度、栅极厚度和栅极间距等也对电场增强因子有一定的影响:栅极越宽,场增强因子越大;而栅极厚度、栅极间距越大,场增强因子就越小。     

金催化的硅纳米线的可控制备及光学特性研究

硅纳米线是新型一维半导体纳米材料的典型代表。利用阳极氧化铝薄膜为模版复制出具有有序纳米结构的金膜,在金的催化辅助下对单晶硅进行湿法刻蚀,得到尺寸、形状、分布可控的硅纳米线阵列,并对其光学特性进行了研究。研究结果表明,金代替银作为催化剂,可以有效地抑制二次刻蚀,金的化学性质相对于银更加稳定,克服了银膜在较高的温度或较长刻蚀时间下产生的结构性破坏,得到形貌规整、尺寸可控的硅纳米线阵列。对该阵列在400 nm~1 200 nm波段的反射率、透过率进行了测试,并对比分析了金模板催化与传统方法机理的异同。测试结果表明,相较于传统金属辅助化学刻蚀法,文中提出的金模板催化法制备的硅纳米线阵列尺寸及分布更加均匀可控,在宽光谱范围内的抗反射性得到了显著提高。     

有序金纳米颗粒阵列的制备及光吸收特性研究

采用纳米球刻蚀技术中漂移法在玻璃基片上制备较大 面积不同直径的聚苯乙烯小球掩模板, 采用磁控溅射技术在掩模板上沉积不同厚度的金薄膜, 去除聚苯乙烯小球后, 通过扫描电子显微镜观察到周期排列的三角状金纳米颗粒点阵. 通过紫外-可见分光光度计测试所制备样品的光吸收特性, 发现表面等离子体共振峰随粒径增大发生红移, 随金纳米颗粒高度增加发生蓝移. 基于Mie理论, 利用Matlab软件编程对不同粒径的金阵列光吸收特性进行理论模拟, 并与实验结果进行对比. 关键词： 纳米球刻蚀 金纳米颗粒阵列 表面等离子体共振     

平行栅结构氧化锌场致发射显示器的研制

用陈化处理过的锌粉为原料,采用高温气相氧化法制备四针状氧化锌材料。应用厚膜、光刻工艺和丝网印刷法制作氧化锌场发射阴极阵列。将阴极板与阳极荧光板制成了5英寸(12.7 cm)单色平行栅结构场致发射显示器(FED)并对其进行了场发射性能测试。分析讨论了影响发射性能的栅极电压、阳极电压以及阴极厚度等参数。该FED在约4000 V阳极电压和300 V栅极电压的驱动下能实现全屏发光。实验结果表明,氧化锌平行栅结构FED具有良好的栅极调控作用,场致发射性能良好,具有良好的应用前景。     

一种基于四甲基氢氧化铵溶液蒸汽的新型硅刻蚀方法

在微机电技术中，利用刻蚀方法对硅进行体结构加工是一步重要的工艺程序. 本文提出了一种基于四甲基氢氧化铵的新型刻蚀方法，四甲基氢氧化铵刻蚀溶液被加热到沸点，单晶硅片置于刻蚀液面的上方，通过刻蚀溶液的蒸汽实现对硅片的各向异性气相刻蚀，此方法并不依赖于昂贵的传统干法刻蚀真空设备. 相比于传统湿法刻蚀，本文提出的刻蚀方法具有若干优点，例如低粗糙度、高刻蚀速率和高均匀性，刻蚀速率和表面粗糙度分别可达到2.13 μm/min和1.02 nm. 同时，在背腔刻蚀工艺中，在硅片非刻蚀面上的隔膜结构和Al基图形可被完好无损地保存下来. 最后，本文提出了一种可能的刻蚀机理说明观察到的实验现象. 与传统湿法刻蚀不同，在本文的气相刻蚀中，由于刻蚀溶液的蒸发过程，刻蚀表面将形成一层薄的水汽层，四甲基氢氧化铵刻蚀剂的离化和刻蚀反应均在这一层中进行，这有助于H₂气泡的快速脱附，以及反应界面分子交换速率的提升.     

纳秒紫外重复脉冲激光烧蚀单晶硅的热力学过程研究

采用波长为355 nm的纳秒紫外重复脉冲激光对单晶硅片进行了盲孔加工实验, 观测了随脉冲增加激光烧蚀硅片的外观形貌和盲孔孔深、孔径的变化规律, 并对紫外激光辐照硅片的热力学过程进行了分析. 研究结果表明:紫外激光加工硅盲孔是基于热、力效应共同作用的结果, 热效应会使得硅材料熔化、气化甚至发生电离产生激光等离子体,为材料的去除提供条件;激光等离子体冲击波以及高温气态物向外膨胀会对熔化材料产生压力致使其向外喷射,为重复脉冲的进一步烧蚀提供了条件;力效应主要沿着激光传输的方向,垂直于硅表面,使得去除部位主要集中在孔的深度方向,达到较高的孔径比,实验观察孔径比可达8:1;此外,激光等离子体的产生也阻止了激光对靶面的作用,加之随孔深的增加激光发生散焦,使得烧蚀深度有一定的限制,实验观察烧蚀脉冲个数在前100个时加工效率较高.     

Quantization of the electronic spectrum and localization of electrons and holes in silicon quantum dots

The quantization of the electronic spectrum has been observed in photoluminescence experiments for silicon quantum dots prepared by implantation of silicon into silicon dioxide SiO2. The diameter of silicon quantum dots has been estimated as 1.8 nm. Injection of electron and holes is accompanied by the appearance of a paramagnetic resonance signal with the g factor equal to 2.006. This result unambiguously indicates that silicon clusters are the electron and hole traps in SiO2.     

Fabrication of semiconductor-and polymer-based photonic crystals using nanoimprint lithography

The technology of fabricating photonic crystals with the use of nanoimprint lithography is described. One-and two-dimensional photonic crystals are produced by direct extrusion of polymethyl methacrylate by Si moulds obtained via interference lithography and reactive ion etching. The period of 2D photonic crystals, which present a square array of holes, ranges from 270 to 700 nm; the aperture diameter amounts to the half-period of the structure. The holes are round-shaped with even edges. One-dimensional GaAs-based photonic crystals are fabricated by reactive ion etching of GaAs to a depth of 1 μm through a mask formed using nanoimprint lithography. The resulting crystals have a period of 800 nm, a ridge width of 200 nm, and smooth nearly vertical side walls.     

U型槽刻蚀工艺对GaN垂直沟槽型金属-氧化物-半导体场效应晶体管电学特性的影响

U型槽的干法刻蚀工艺是GaN垂直沟槽型金属-氧化物-半导体场效应晶体管(MOSFET)器件关键的工艺步骤,干法刻蚀后GaN的侧壁状况直接影响GaN MOS结构中的界面态特性和器件的沟道电子输运.本文通过改变感应耦合等离子体干法刻蚀工艺中的射频功率和刻蚀掩模,研究了GaN垂直沟槽型MOSFET电学特性的工艺依赖性.研究结果表明,适当降低射频功率,在保证侧壁陡直的前提下可以改善沟道电子迁移率,从35.7 cm^2/(V·s)提高到48.1 cm^2/(V·s),并提高器件的工作电流.沟道处的界面态密度可以通过亚阈值摆幅提取,射频功率在50 W时界面态密度降低到1.90×10^12 cm^-2·eV^-1,比135 W条件下降低了一半.采用SiO2硬刻蚀掩模代替光刻胶掩模可以提高沟槽底部的刻蚀均匀性.较薄的SiO2掩模具有更小的侧壁面积,高能离子的反射作用更弱,过刻蚀现象明显改善,制备出的GaN垂直沟槽型MOSFET沟道场效应迁移率更高,界面态密度更低.     

A Method for Preparation of Ordered Porous Silicon Based on a 2D SiO_2 Template

A new method for fabricating ordered porous silicon is reported.A two-dimensional silica nanosphere array is used as a template with a hydrofluoric acid-hydrogen peroxide solution for etching the nanospheres.The initial diameter and distribution of the holes in the resulting porous silicon layer are determined by the size and distribution of the silica nanospheres.The corrosion time can be used to control the depths of the holes.It is found that the presence of a SiO_2 layer,formed by the oxidation of the rough internal surface of the hole,is the primary reason allowing the corrosion to proceed.Ultraviolet reflection and thermal conductivity measurements show that the diameter and distribution of the holes have a great influence on properties of the porous silicon.     

Large scale ordered topographical and chemical nano-features from anodic alumina templates

We have used ordered anodic alumina membranes as masks to create large scale ordered arrays of either holes or chemical islands on silica. Regularly spaced holes were obtained by direct etching of silica/silicon or glass substrates through the membranes used as etching masks. To create an array of chemically functional islands, the membrane is first glued on the substrate using a soft polymer and subsequently the polymer is etched gently though the mask. Finally organo-silane molecules are deposited through the alumina/polymer hybrid mask and the mask is removed chemically leaving nanoislands on the substrate. We anticipate that this technique will be useful in future biological and biomedical applications.     

90°视向角内窥远心测量仪的光学设计

针对深腔内深孔、微小孔或盲孔等, 由于受到腔体尺寸形状和腔体结构的限制,导致对腔体内表面的检测及腔体内孔径形位信息的检测有很大的难度, 设计了一种检测腔内小孔特征以及腔内状态的内窥镜光学探头。该探头为具有90°视向角、20 mm大景深、高分辨率的细径内窥镜,其放大倍率为-0.71×,最大畸变为0.5%,全视场MTF在166 lp/mm处接近0.1,孔径检测精度为0.01 mm,分辨率为0.005 mm,且光学系统外径小于5 mm,可用于对腔体直径范围15 mm~45 mm、孔径直径范围0.01 mm~4 mm的腔体零件内微小孔径形位信息的检测。     

Structured lens formed by a 2D square hole array in a metallic film

A method is proposed to modulate phase using variant square holes in a metallic film based on a fundamental mode approximation model. Phase retardation through square holes in a subwavelength scale in a thin metal film has been analyzed and calculated. Based on the model, a structured lens with a numerical aperture of 0.583 and a focal length of 240 microm formed by a 2D square hole array in a metallic film is designed. Numerical simulation using the finite-difference time-domain method is carried out, and the results agree with the theoretical analysis. A focal spot close to the diffraction limit can be obtained.     

Fabrication of GaAs hole array as a 2D-photonic crystal and their application to photonic bandgap waveguide

A two dimensional (2D) GaAs hole array with a high aspect ratio was successfully fabricated by dry etching techniques using a highly ordered alumina membrane as a mask. The reflection spectra of the GaAs hole array shows characteristics of the photonic bandgap (PBG) calculated by using the 2D triangular lattice structure. Various defect lines were formed etching in the GaAs hole array using focused ion beam. The defect-type PBG waveguide was experimentally demonstrated.