拉曼光谱原位表征在有机光电器件中的应用

拉曼原位表征(Raman in situ characterization)就是在不破坏样品的情况下利用拉曼光谱实时监测变化过程,以表征样品在真实环境下的结构性能变化或记录样品在整个过程中的实时信息。在器件的工作时,原位检测化学结构、物理结构的变化,有利于深入了解器件微观结构与光电性能间的关系,帮助我们优化器件结构,提高器件性能。本文主要针对有机光电器件,总结原位观察生长、老化、带电状态的特点和规律,探讨了原位拉曼光谱在有机光电器件原位表征中的应用和发展潜力。     

斯格明子电子学的研究进展

在过去的半个世纪中,微电子技术一直沿着著名的摩尔定律快速发展,当前已经达到单芯片可集成上百亿晶体管.然而随着晶体管尺寸的缩小,因量子效应所产生的漏电流及其所导致的热效应使得这一定律遇到瓶颈.自旋电子技术由于引入了电子自旋这一全新的自由度,将有望大幅度降低器件功耗,突破热效应枷锁.斯格明子是一种具有拓扑保护的类粒子自旋结构,有望成为下一代自旋电子信息载体,引起了从物理到电子领域的广泛关注.由于其特殊的拓扑性质,斯格明子具备尺寸小、结构稳定、驱动阈值电流小等诸多优点,室温下斯格明子的成核、输运及探测进一步验证了其广泛的应用潜力,由此诞生了研究相关器件及应用的斯格明子电子学.本综述从电子学角度首先介绍斯格明子的基础概念及发展现状、理论及实验研究方法,重点阐述斯格明子器件的写入、调控及读取功能,介绍了一系列具有代表性的新型信息器件;最后,结合斯格明子电子学现状分析了目前所面临的发展瓶颈以及未来的应用前景.     

AlGaN/GaN 高速电子迁移率晶体管器件电流坍塌效应与界面热阻和温度的研究

本文系统研究了AlGaN/GaN基高速电子迁移率晶体管器件界面热阻和工作温度对器件在高功率下的电流坍塌效应的影响规律.研究发现低漏极电压下热电子是导致负微分输出电导的重要因素,器件工作温度变高会使负微分输出电导减小.高漏极电压下自加热效应是导致电流坍塌的一个重要因素.随着界面热阻的增加,器件跨导降低,阈值电压增大.同时,由于工作环境温度的增高,器件随之温度增高,载流子迁移率会显著降低. 最终这两种因素会引起AlGaN/GaN基高速电子迁移率晶体管器件显著的电流坍塌效应,从而降低了器件整体性能. 关键词： AlGaN/GaN HEMT 器件 热电子效应 自加热效应 电流坍塌效应     

新型双异质结高电子迁移率晶体管的电流崩塌效应研究

针对传统单结GaN基高电子迁移率晶体管器件性能受电流崩塌效应和自加热效应限制的困境,对新型A1GaN/GaN/InGaN/GaN双异质结高电子迁移率晶体管的直流性质展开了系统研究.采用基于热电子效应和自加热效应的流体动力模型,研究了器件在不同偏压下电流崩塌和负微分电导效应与GaN沟道层厚度的相关.研究发现具有高势垒双异质的沟道层能更好地将电子限制在沟道中,显著减小高电场下热电子从沟道层向GaN缓冲层的穿透能力.提高GaN沟道层厚度可以有效抑制电流崩塌和和负微分输出电导,进而提高器件在高场作用下的性能.所得结果为进一步优化双异质结高电子迁移率晶体管结构提供了新思路,可促进新型GaN高电子迁移率晶体管器件在高功率、高频和高温等无线通讯领域内的广泛应用.     

超短沟道绝缘层上硅平面场效应晶体管中热载流子注入应力导致的退化对沟道长度的依赖性

随着场效应晶体管(MOSFET)器件尺寸的进一步缩小和器件新结构的引入, 学术界和工业界对器件中热载流子注入(hot carrier injections, HCI)所引起的可靠性问题日益关注. 本文研究了超短沟道长度(L=30–150 nm)绝缘层上硅(silicon on insulator, SOI)场效应晶体管在HCI应力下的电学性能退化机理. 研究结果表明, 在超短沟道情况下, HCI 应力导致的退化随着沟道长度变小而减轻. 通过研究不同栅长器件的恢复特性可以看出, 该现象是由于随着沟道长度的减小, HCI应力下偏压温度不稳定性效应所占比例变大而导致的. 此外, 本文关于SOI器件中HCI应力导致的退化和器件栅长关系的结果与最近报道的鳍式场效晶体管(FinFET)中的结果相反. 因此, 在超短沟道情况下, SOI平面MOSFET器件有可能具有比FinFET器件更好的HCI可靠性.     

N型槽栅金属-氧化物-半导体场效应晶体管抗热载流子效应的研究

用二维器件仿真软件MEDICI模拟分析了N型槽栅金属-氧化物-半导体场效应晶体管的热载流 子特性及其对器件性能所造成的损伤,并与相应常规平面器件进行了比较,同时用器件内部 物理量的分布对造成两种结构器件特性不同的原因进行了解释.结果表明槽栅器件对热载流 子效应有明显的抑制作用,但槽栅器件对热载流子损伤的反应较平面器件敏感. 关键词： 槽栅MOSFET 热载流子效应 界面态 特性退化     

纳米尺度金属-氧化物半导体场效应晶体管沟道热噪声模型

随着CMOS工艺的发展,热载流子效应对沟道热噪声的影响随着器件尺寸的降低而增大,传统热噪声模型未能准确表征沟道的热噪声.本文通过解能量平衡方程,得到电子温度表达式,并结合沟道漏电流表达式,建立了沟道热噪声模型.利用建立的电子温度表达式,该热噪声模型考虑了热载流子效应的影响,并且在计算热噪声的过程中考虑了电子温度对迁移率降低的影响以及温度梯度对热噪声的影响.通过分析与计算,结果显示,随着器件尺寸的减小,温度梯度对电子温度产生显著影响,使得热载流子效应的影响增大,热载流子效应对热噪声的增长作用超过了迁移率降低对热噪声的减小作用,最终导致热噪声增大.本文建立的沟道热噪声模型可应用于纳米尺寸金属-氧化物半导体场效应晶体管器件的噪声性能分析及建模.     

硅基单片式复合晶体管的结构参数对高功率微波损伤效应的影响

建立了三种不同结构的硅基单片式复合晶体管(由T1和T2两个晶体管构成)的二维电热模型,研究了高功率微波对不同结构的硅基单片式复合晶体管的损伤效应的影响。获得了不同器件结构下导致复合晶体管损伤的损伤功率阈值和损伤能量阈值分别与脉宽的关系。结果表明,当复合晶体管的总体尺寸不变而T2和T1晶体管的面积比值更大时需要更多的功率和能量来损伤器件。通过分析器件内部电场、电流密度和温度分布的变化,得到了复合晶体管的结构对其微波损伤效应的影响规律。对比发现,三种结构的复合晶体管的损伤点均位于T2管的发射极附近,随着T2和T1晶体管面积比的增大,电场、电流密度和温度在器件内部的分布将变得更加分散。此外,在发射极处增加外接电阻R_e,研究表明损伤时间随发射极电阻的增大而增加。因此可以得出结论,适当改变器件结构或增加外接元件可以增强器件的抗微波损伤能力。晶体管的仿真毁伤点与实验结果一致。     

掠入射板条放大器链的热效应模拟分析

对LD泵浦的掠入射板条放大器链系统激光介质的热效应进行研究。针对掠入射放大器结构建立了相应的热力学模型,对激光介质的温度场分布、热致波前畸变和热透镜效应进行了详细的理论分析。利用有限元分析软件COMSOL模拟了晶体内部的温度、应力及应变的分布情况,并进一步讨论了板条厚度、泵浦尺寸以及种子光入射角对光程差和热透镜造成的影响。结果表明,随着泵浦光斑尺寸和种子光入射角的增大,光程差变小,热透镜效应减弱;板条厚度对光程差和热透镜的影响较小。模拟计算结果对于预测板条热效应的强弱、热效应的补偿,以及放大器链结构参数的设计提供了依据。     

基于拉曼热测量技术的铜基复合物法兰GaN基晶体管的热阻分析

采用拉曼热测量技术结合有限元热仿真模型,分析比较新型铜/石墨复合物法兰封装与传统铜钼法兰封装的GaN器件的结温与热阻,发现前者的整体热阻比铜钼法兰器件的整体热阻低18.7%,器件内部各层材料的温度分布显示铜/石墨复合物法兰在器件中的热阻占比相比铜钼法兰在器件中的热阻占比低13%,这证明使用高热导率铜/石墨复合物法兰封装提高GaN器件热扩散性能的有效性.通过对两种GaN器件热阻占比的测量与分析,发现除了封装法兰以外,热阻占比最高的是GaN外延与衬底材料之间的界面热阻,降低界面热阻是进一步提高器件热性能的关键.同时,详细阐述了使用拉曼光热技术测量GaN器件结温和热阻的原理和过程,展示了拉曼光热技术作为一种GaN器件热特性表征方法的有效性.     

Raman analysis of oxide cladded silicon core nanowires grown with solid silicon feed stock

Solid–liquid–solid (SLS) combined with Vapor-liquid–solid (VLS) growth mechanism has been used for synthesizing Core-clad silicon nanowires (SiNWs) by thermal annealing onto two different catalyst substrates (Au/Si and Ni/Ti/Si). It provides a novel method to synthesize SiNWs which is cost-effective, large-area-compatible and may give a higher degree of control of the end product, facilitated by the simple experimental process for further device applications. The first-order Raman peaks of the SiNWs were found to shift and to broaden asymmetrically in comparison to the c-Si Raman peak. Using a phonon confinement model, the average diameter of the wires can be estimated from the Raman spectra but are consistently lower than the diameters measured using high-resolution transmission electron microscopy. We interpret this as due to the confining contribution of the oxide clad. Due to the simplicity of the method, it could be adapted in industry for large scale synthesis of SiNWs with oxide clad for device fabrication, e.g., surround-gate field effect transistors.     

一种简单而有效的防止高温光谱实验中显微物镜温度过高的装置:空气吹扫装置

地球内部是一个高温高压环境。温度对于矿物的物理-化学性质有着非常重要的影响。随着温度的升高,矿物的分子振动、弹性模量、地震波波速等诸多性质有可能发生显著的变化,从而对地球内部的相关物理-化学过程产生非常重要的影响。高温谱学研究(如高温红外及高温拉曼)对了解矿物在高温下的物理-化学性质有着非常重要的意义。尽管高温谱学研究中常用的加热台带有冷却装置,能够确保加热台在很高温度下也能正常运转(如1 500℃),然而加热元件在高温下辐射出的大量热量可能使相关光聚焦物镜系统的温度急剧升高,从而造成热损伤,进而限制了高温谱学研究的温度范围。本文的创新点在于为克服这个困难,我们提供了一种简单而有效的防止高温光谱实验中显微物镜温度过高的装置,从而扩展高温谱学研究的温度范围。通过在物镜系统的附近添加了一套空气吹扫装置,加速空气流动而带走多余的热量,从而降低物镜系统的温度。测试表明:尽管这一装置非常简单,但却非常有效;当实验温度为~1 000℃时,物镜下表面的温度由原来的~235℃下降到~68℃。利用该空气吹扫装置,我们对镁橄榄石进行了温度高达~1 300℃的原位拉曼光谱研究,实验结果与其他研究报道的结果一致。这一事实表明,通过添加该空气吹扫装置,高温谱学研究可以比较容易地在超过1 300℃的高温下进行,所用物镜系统基本没有热损伤,从而避免采用能承受更高温度的不同材质的物镜或者运用长焦距物镜的昂贵办法。     

硅桥红外辐射单元温度的显微拉曼测定

本文采用显微拉曼光谱实验的方法对红外目标模拟器中的重掺杂Si电阻微桥单元进行了绝对温度的测量 ,并根据斯托克斯与反斯托克斯强度与温度关系以及Raman峰位移动与温度依赖关系两种方法确定温度 ,保证了所测温度的可靠性。针对Si桥建立相应的Raman模型 ,选择合适的物理参数 ,最终得到了反映Si桥工作特性的电流 -温度关系。此外 ,通过对Si桥的空间分辨的测量实验 ,得到了Si桥上的温度分布状况 ,对了解其电阻、热导及氧化等特性十分有用。所有结果表明该方法是器件优化的有效途径。     

Si微电阻桥温度分布与热传导特性的显微Raman光谱研究

采用显微Raman光谱方法对红外目标模拟器中重掺杂Si微电阻桥单元的热传导特性进行研究，根据Si桥的实际特性建立相应的Raman散射模型，通过测量Raman峰位的移动得到高功率激光辐照下测量点的温度.对Si桥桥面分别进行了沿某些特殊线段的逐点线扫描和覆盖全部桥面的面扫描，得到各点的温升及其分布.用基于有限元分析的软件结合Si桥结构参数对各测量点的温升进行了模拟计算，其结果在热导分布的基本趋势上与实验相一致.实验细致地揭示了热导分布的局域起伏，反映出实际器件的不均匀性，为改进器件设计、优化器件性能提供了实验依据. 关键词： Raman光谱 Si桥 温度分布 热导     

Ge nanocrystals in magnetron sputtered SiO2

Structural and optical properties of Ge nanocrystals in SiO₂ films created by magnetron sputtering and heat treatment have been investigated. The formation of nanocrystals is found to be influenced by the temperature of heat treatment and the Ge concentration in the films. After heat treatment at 1000 °C nanocrystals are present throughout the film, with the exception of a region close to the surface that does not contain nanocrystals. This effect is assigned to oxidation of Ge in this part of the film. The size distribution of the nanocrystals is analyzed by transmission electron microscopy for a range of deposition and heat-treatment parameters. By analyzing the transmission electron microscopy images, it is possible to estimate the fraction of nanoclusters that are crystalline for a given set of growth parameters. This analysis shows that all the nanoclusters are created in the crystalline state. Raman spectroscopy is employed to probe the Ge–Ge bonds. In combination with transmission electron microscopy, this information can be used to distinguish between growth modes such as nucleation or Ostwald ripening. The photoluminescence spectra exhibit a strong broad line at 625 nm, the presence of which is demonstrated to correlate to the presence of Ge nanocrystals. PACS 61.46.+w; 78.55.-m; 78.67.-n     

银纳米粒子/碳纳米管阵列SERS基底增强因子分析和实验

为了直观、准确地定量分析表面拉曼增强散射基底结构的拉曼增强,利用磁控溅射和高温退火的方法制备了银纳米粒子修饰垂直排列的碳纳米管阵列三维复合结构样品;实验采用罗丹明6G(R6G)溶剂作为探针分子,结合共聚焦显微拉曼系统,开展了表面增强拉曼增强因子(EF)分析计算的相关实验。SEM结果表明：在有序碳纳米管阵列的表面和外壁均匀地负载了大量银纳米粒子。对退火温度为450 ℃,退火时间为30 min的样品进行了EF计算,得到其增强因子约为2.2×103,并分析了EF值低的原因主要是：在碳纳米管上溅射的银膜膜厚不均匀,导致退火后银颗粒分布不均,使得样品粗糙度值偏大,EF值较低;实验中所用的激励光源并非银纳米颗粒的优化光源。     

Thermal resistance matrix representation of thermal effects and thermal design in multi-finger power heterojunction bipolar transistors

The thermal resistance matrix including self-heating thermal resistance and thermal coupling resistance is presented to describe the thermal effects of multi-finger power heterojunction bipolar transistors. The dependence of thermal resistance matrix on finger spacing is also investigated. It is shown that both self-heating thermal resistance and thermal coupling resistance are lowered by increasing the finger spacing, in which the downward dissipated heat path is widened and the heat flow from adjacent fingers is effectively suppressed. The decrease of self-heating thermal resistance and thermal coupling resistance is helpful for improving the thermal stability of power devices. Furthermore, with the aid of the thermal resistance matrix, a 10-finger power heterojunction bipolar transistor (HBT) with non-uniform finger spacing is designed for high thermal stability. The optimized structure can effectively lower the peak temperature while maintaining a uniformity of the temperature profile at various biases and thus the device effectively may operate at a higher power level.     

Designing power heterojunction bipolar transistors with non-uniform emitter finger lengths to achieve high thermal stability

With the aid of a thermal-electrical model,a practical method for designing multi-finger power heterojunction bipolar transistors with finger lengths divided in groups is proposed.The method can effectively enhance the thermal stability of the devices without sacrificing the design time.Taking a 40-finger heterojunction bipolar transistor for example,the device with non-uniform emitter finger lengths is optimized and fabricated.Both the theoretical and the experimental results show that,for the optimum device,the peak temperature is lowered by 26.19 K and the maximum temperature difference is reduced by 56.67% when compared with the conventional heterojunction bipolar transistor with uniform emitter finger length.Furthermore,the ability to improve the uniformity of the temperature profile and to expand the thermal stable operation range is strengthened as the power level increases,which is ascribed to the improvement of the thermal resistance in the optimum device.A detailed design procedure is also summarized to provide a general guide for designing power heterojunction bipolar transistors with non-uniform finger lengths.