关键词： 光学器件   柔性   光电子器件   绿色制造   微纳制造  

摘要： 柔性光电子器件对微纳制造技术提出了更高、更多维度的要求,包括大幅面、表面复杂结构、跨尺度、透明或柔性基底等。主要介绍基于相位元件调制的3D激光直写技术和紫外连续变频光刻技术,它们可分别实现复杂表面浮雕结构和像素化纳米结构的精确制备。此外微纳结构限定性生长或涂布方法提供了一种绿色环保的材料功能化手段。借助微纳结构图形化、功能化平台,最后介绍了新型柔性光电子材料/器件的应用创新。可以预见,微纳光制造技术将推动柔性光电子产业的持续创新发展。

关键词： 人工智能   硬件架构   并行度   计算单元   达摩院   一体化   北京大学   瓶颈  

摘要： 阿里达摩院在2020年1月发布了《2020十大科技趋势》报告,其中第二大趋势为“计算存储一体化突破A I算力瓶颈”。报告指出:“数据存储单元和计算单元融为一体,能显著减少数据搬运,极大提高计算并行度和能效。计算存储一体化在硬件架构方面的革新,将突破A I算力瓶颈。”

关键词： 纸基电子   电场驱动   3D打印   低温烧结   大高宽比  

摘要： 纸基电子作为柔性电子领域中的新兴产品,其基材具有绿色环保、可生物降解、成本低等优势,并在生物传感器、微型电容器、纸基标签天线等诸多领域广泛应用。然而,纸质基材不同于现有的硬质基材（硅片、玻璃等）和柔性基材（PET、PC等）,具有多孔结构、不耐高温、不防水等特点,现有的光刻、喷墨打印、丝网印刷等技术在纸质基材表面实现高性能（高分辨率、大高宽比等）导电电路面临着很大的挑战。针对这一难题,本文提出了一种基于电场驱动喷射微纳3D打印新工艺,并结合高粘度低温烧结纳米银浆实现高性能纸基电子的制备。主要从理论分析、工艺参数优化实验研究、不同纸基银导线结构与电学性能研究以及典型案例研究对提出的新工艺进行了系统的理论分析与实验研究,主要研究的工作与创新之处有以下几点:（1）基于电场驱动喷射微纳3D打印工艺并结合高粘度低温烧结纳米银浆提出一种制造高分辨率、大高宽比纸基电路新方法,结合现有的理论基础,对该工艺制备纸基电路的基本方法和工艺流程进行详细的阐述与分析,并对打印工艺原理和高粘度低温烧结纳米银浆的制备两个关键技术进行系统的概述。（2）根据相关理论分析,主要从具体工艺参数对打印结果的影响及规律以及烧结工艺参数对导电电路电学性能的影响及规律进行系统的实验与研究,并优化出对应最合适的工艺窗口。实验结果表明:纸基表面结构、打印电压、打印气压、打印速度和打印高度是影响银线形貌与性能的主要因素,打印材料的烧结温度和烧结时间是影响导电电路电学性能的重要因素。结果表明:（1）打印电压过低或过高都会导致打印银线形貌变差,RC相纸适合打印电压500～800V,铜版纸适合打印电压800～1400V,复印纸适合打印电压800～1000V;（2）打印速度与打印线宽呈负相关,当打印速度过快时会导致银线不连续,RC相纸适合打印速度20～50mm/s,铜版纸适合打印速度10～25mm/s,复印纸适合打印速度5～10mm/s;（3）打印气压决定材料的挤出量,与打印线宽呈正相关,但打印气压过小时会导致银线形貌变差,过大时银线分辨率会降低,适合打印气压120～180k Pa;（4）打印线宽随打印高度的增大而减小,但高度过高时泰勒锥由于受到外界干扰使银线断裂,适合打印高度150μm;（5）随烧结温度和烧结时间的增大,导电电路的电学性能变好,但温度过高、时间过长会破坏纸基表面结构,适合烧结温度80℃,烧结时间60min。（3）采用EFD微纳3D打印工艺与高粘度低温烧结纳米银浆,并结合优化出的工艺参数,在不同纸基表面进行多层堆积实现大高宽比微纳结构,并得到不同纸基银导线结构与电学性能的数学模型。在RC相纸上经过15层堆积后,打印银线的高宽比增加到6.33;在铜版纸表面进行15层堆积后,高宽比增加到5.2;在复印纸表面进行8层堆积后,高宽比增加到0.79。使用MATLAB数据分析软件,拟合出银导线结构特征数学模型,并进行验证其可行性,为后续EFD微纳3D打印纸基电子的制造提供电学性能表征的数学理论模型。（4）针对本文提出的电场驱动喷射微纳3D打印工艺在不同纸基分别进行案例研究。在复印纸、铜版纸和RC相纸表面制备面积为5cm×5cm的圆形、菱形、五角形复杂网栅导电图案,并制备了灯阵和书签灯两种功能性电路;在RC相纸和铜版纸表面制作弯折次数分别为2和3的RFID标签天线,通过仿真分析和实际测量分别得到回波损耗S11=-26.99dB和S11=-30.3dB,测试结果和仿真结果基本一致,与实验所用的电子芯片Andy100产生近似共轭匹配,满足阻抗匹配要求;在复印纸表面通过多层堆积制备纸基柔性电磁驱动器,并进行性能表征。

关键词： 电子束曝光   冰刻   冰刻仪器系统   三维微纳加工   无溶剂微纳加工   微纳光学器件  

摘要： 微纳加工技术的发展极大提升了人类认识与改造微观世界的能力。作为最常用的微纳加工方法之一,电子束曝光技术凭借其高分辨率和相对灵活性在纳米光学、微电子学、微机械系统等领域具有广泛应用。不过,传统的电子束曝光工艺流程繁复,适用范围有限,在面对日新月异的纳米技术发展与器件加工要求时显得力不从心。为此,一系列新兴的微纳加工技术应运而生,其中就包括以纳米冰层替代光刻胶来进行电子束曝光的冰刻。冰刻在工艺流程简化、原位加工、非平面和易碎衬底加工等方面具有独特优势。然而,作为一种新兴的技术,目前对冰刻技术的研究还存在很多局限。比如,冰刻仪器系统的设计还有待完善,对冰刻中工艺现象与问题的认识还不充分,对冰刻工艺的挖掘和与其它微纳加工技术的结合还不够深入,以及冰刻在微纳器件加工中的应用还不够丰富等。因此,本文从冰刻仪器系统的设计与搭建出发,将电子束曝光原理、各类微纳加工技术思想和冰刻技术特点相结合,在冰刻的三维微纳加工、无溶剂微纳加工、相关工艺问题和微纳光学器件应用等方面进行了系统性研究。在冰刻仪器系统方面,本文介绍了冰刻仪器系统的设计原理、实施方案、操作方法和参数表现。通过将商用扫描电镜与热蒸发镀膜设备和外接组件连接,构成了运行稳定、操作便利的冰刻仪器系统。进一步利用该系统实现了冰刻基本工艺流程,在冰层上曝光了宽20nm,深宽比高达17:1的密集线条阵列,并实现了平均宽度27nm的银纳米线加工。本文还定量分析了曝光剂量和加工粗糙度等指标,对冰刻中常见的冰层异常和曝光图案失真等工艺问题进行了分析和解决。在冰刻的三维微纳加工方面,本文提出冰刻基于多层套刻和灰度曝光两种策略来实现三维微纳加工的方案。在多层套刻方案中,本文基于冰刻误差小于100 nm的原位对准能力和冰层的物理特性实现了金字塔形三维微纳结构的加工,与传统电子束曝光相比大幅简化了工艺流程。在灰度曝光方案中,本文首次测定了水冰的曝光对比度曲线,测得了冰层在5 kV和20 kV加速电压下的对比度分别低达1.74和2.24,并通过调制曝光剂量分布形成三维冰层图案,实现了蘑菇形三维结构和桥形悬空结构的加工。本文还对冰刻在三维微纳加工中的相关工艺问题进行了分析和解决。在冰刻的无溶剂微纳加工方面,本文提出通过吹离取代传统方法中的溶剂剥离法,实现了全过程中无溶剂的冰刻加工,进一步简化了冰刻工艺流程。在光学器件应用方面,该方法用于钙钛矿基光学器件的加工,有效避免了传统加工方法中极性溶剂对钙钛矿材料的破坏,得到了目前具有最小金属电极间距(227 nm)的钙钛矿横向光电导探测器,响应率达76 A/W;用于光纤端面和微纳光纤侧面的微纳结构加工,得到了集成超表面的环境折射率传感光纤,灵敏度达187.4 nm/RIU。本文还对无溶剂冰刻中的相关工艺问题进行了分析,提出了合理设计曝光图案和冰层厚度以加工准三维结构的方法。本论文通过对冰刻微纳加工技术的系统性研究,深化了对冰刻各技术要素的理解,展示了一系列通过冰刻技术加工在不同衬底上加工的金属纳米结构,探索了冰刻在多种微纳加工场景下,尤其是三维微纳器件、钙钛矿微纳器件、光纤集成微纳光学器件等领域的应用潜力,为冰刻技术的下一步研究与发展做出了贡献。

关键词： β-Ga2O3   一维纳米线   微纳电子器件   气敏传感器   场效应晶体管  

摘要： 超宽禁带半导体材料氧化镓(β-GaO)因具有高达4.9e V的带隙宽度、8MV/cm的高击穿电场强度以及良好的化学稳定性和热稳定性而在电力电子器件、深紫外探测器以及气体传感器等半导体器件领域都有着极好的发展势头。另一方面,纳米技术的持续发展为半导体材料及器件应用的进一步拓展,获得更高性能的微纳电子器件提供了新的机遇。本论文主要围绕一维纳米结构β-GaO纳米线的生长、基于β-GaO纳米线的气敏传感器、场效应晶体管的制备及相关性质开展研究,具体工作如下:首先,实现了高质量β-GaO纳米线的制备。本论文采用金属有机化合物化学气相沉积系统(Metal-organic Chemical Vapor Deposition,MOCVD)在预先沉积有金(Au)纳米薄膜的蓝宝石衬底上外延生长了直径在几十纳米到数百纳米、平均长度6微米,表面光滑的高质量纳米线样品。X-射线衍射分析(X-Ray Diffraction,XRD)、透射电子显微镜(Transmission Electron Microscope,TEM)和选取电子衍射(Selected Electron Diffraction,SAED)的表征结果表明样品为具有良好结晶质量的β-GaO纳米线,并且β-GaO纳米线在生长过程中具有明显的方向选择性。光谱学分析则表明β-GaO纳米线样品禁带宽度约为4.7e V,接近β-GaO的理论值。其次,开展了基于β-GaO纳米线的气敏特性研究。我们将纳米线分散转移后制备出的气敏器件表现出了一定的H的选择灵敏性,而对乙醇、丙酮以及甲醇等气体没有敏感响应。β-GaO纳米线气敏器件的最佳工作温度为300℃,H浓度为1000 ppm时传感器的灵敏度达到50.2%。而在测试周期内β-GaO纳米线传感器的工作性能也表现出了重复性和稳定性。相比于薄膜材料,我们认为β-GaO纳米线的高比表面积提升了材料的气体吸附能力,使材料表面电子耗尽层的变化更为显著,最终使传感器变得更加灵敏。另一方面,β-GaO自身的氧空位对促进气体吸附,提升器件灵敏度也起到一定的促进作用。最后,开展了β-GaO纳米线的场效应特性研究。为研究β-GaO纳米线的场效应特性,我们通过机械转移的方式将β-GaO纳米线转移至二氧化硅/P硅(SiO/PSi)衬底上制备了单根β-GaO纳米线背栅场效应晶体管(FET),并在室温和变温条件下测试了器件的输出和转移特性。室温条件下,器件在背栅电压约为-38V时表现出夹断现象,并具有极低的泄漏电流～55.2f A/μm,器件开关比～10,而场效应载流子迁移率则达到62.2cm/V·s。高温条件下β-GaO纳米线FET的转移特性则表明一些与材料自身缺陷相关的氧空位和镓空位被激活进而导致沟道泄漏电流随着温度的升高而增大。图39幅,表5个,参考文献113篇。

关键词： 微纳电子   锰基纳米材料   水系锌离子电池   碳纳米角   宽禁带半导体  

摘要： 越来越多地使用化石燃料燃烧来生产电力,增加了大气中二氧化碳(CO2)气体的含量,造成温室效应,这是全球变暖的主要原因。因此可充电电池对当今人们的生活至关重要,在带来了极大便利的同时,也能更好地保护环境。目前二次锂离子电池由于能量密度高,周期长等优点一直占据主导地位,但存在锂资源紧缺和有机物电解质易燃等问题。亟需寻找含量丰富的其他金属基电极材料以及更安全的电池技术,因此水系锌离子电池成为近期研究的热点问题。 本文主要针对锌离子电池结构易坍塌、导电性较差等热点问题展开了深入研究,从锰基氧化物的混合价态结构机理和添加导电剂两个方面,进一步提高电极材料的导电性能,并提出了二次可充电电池的快充器件模型。主要创新点包括以下方面: (1)提出了将锰(Mn)基氧化物材料中Ⅲ价和Ⅳ价分开研究的方法。在采用固定的晶型结构、制备工艺、制备方法的前提条件下,只改变Mn基氧化物材料中Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)价,研究不同Mn价态材料对水系锌离子电池性能的影响。对α-MnO2电极和α-Mn2O3电极分别进行形貌表征和电化学测试,说明α-MnO2电极具有更好的电化学性能。虽然混合价态MnOx中含有不同占比的Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)价态Mn基氧化物材料,通常比本工作中提出的实验研究过程更复杂,但了解组分材料的基本行为有助于解释相关系统的行为。 (2)提出了锌离子(Zn2+)在α-MnO2和α-Mn2O3扩散途径的仿真,计算了 Zn在α-MnO2和α-Mn2O3中的迁移势垒,并通过恒电流间歇滴定技术测试,获得了 MnO2和Mn2O3电极的Zn2+扩散系数,从实验上证实了计算机仿真与理论计算相结合方法的可行性。创新点在于一方面采用Material Studio软件来模拟Mn基氧化物材料的结构可以进一步指导微纳加工和设计;另一方面一些不能直接用实验方法确定的因素(如Zn2+的扩散势垒)往往被忽略,导致分析不完全。所以采用软件仿真来模拟Zn2+的扩散途径以及计算Zn2+在正极材料中的扩散势垒是必要的,进一步理解组分材料中Mn(Ⅲ)和Mn(Ⅳ)价态的性能以及其内在机理。 (3)提出了碳纳米角(CNHs)作为MnO2正极的导电添加剂,MnO2/CNHs复合电极表现出优异的电化学性能。提出了 CNHs改善导电网络的机理:CNHs可以填充MnO2/CNHs复合电极中的空隙,直接连接相邻的MnO2纳米片,可以作为“桥梁”使电子在相邻的纳米片之间转移。在电流密度为0.3 Ag-1时,MnO2/CNHs电极的锌离子电池的放电比容量达到270.1 mAhg-1。在大的电流密度3 Ag-1时,MnO2/CNHs电极的初始放电比容量为157.4 mAhg-1。500次循环后,MnO2/CNHs电极仍保持着高达144.0 mAhg-1的比容量。 (4)提出了一种宽禁带半导体GaN基HEMT器件大信号改善电路模型,在从常温到300℃的温度下对GaN基HEMT器件进行了测试,通过仿真软件MATLAB对每个温度下的采样数据进行相应拟合,进一步提取参数,对参数进行分类包括对温度敏感和对温度不敏感两类。通过分析GaN基HEMT器件特性随温度变化的物理机制,修正对温度敏感的拟合参数与温度的函数关系,得到修正后的器件模型。将改进后的模型应用到LTSPICE软件中,把不同芯片的实测数据与模型仿真结果进行比较,验证了该模型高精度和收敛性,可用于后续电路的设计。 锰基氧化物普遍在循环过程中存在电导率低、体积变化大等问题,影响了材料的倍率性能和循环稳定性。为了提高其导电性,除了本论文中提到的引入导电添加剂和从纳米结构机理上来提升其导电性之外,开发其它方法也是十分有必要的。因此,设计具有微纳结构的锰基氧化物对未来锰基水系锌离子电池的应用具有非常重要的意义。

关键词： 课程思政   教学改革   微纳电子器件  

摘要： 微纳电子器件是一门涉及微电子、集成电路先进制造工艺和表征技术的课程。由于“中兴”“华为”事件,我国微电子科学与产业技术引起广泛关注和讨论。文章以微纳电子器件课程改革为契机,在课堂教学中融入思政元素,展示我国微电子领域取得的成就,引导大家客观评价我国微电子产业技术,建立对我国微电子科学发展的信心和兴趣,实现知识传授和价值引领同频共振。

关键词： 微纳卫星   综合电子   高集成度   可重构   高性能   高可靠性  

摘要： 为了提高卫星星上资源利用率及集成度,实现对卫星星上资源的充分利用,综合考虑体积、质量及功耗等多方面限制及要求,提出一套基于可重构系统的微纳卫星综合电子系统方案。该方案提出利用分布式专用模块及通用中心处理器提高卫星系统功能集成度,在不降低整星系统可靠性的基础上减少电路设计冗余。首先,通过选用双高性能CPU冷备份,配合外部电路设计,实现了高可靠性高性能计算功能;其次,通过标准化系统总线,将电源及热控,姿态轨道控制,载荷管理等功能模块中的专用电路与计算处理控制功能解耦,将其中的计算控制功能通过综合电子CPU软件重构的方式实现;最后设计并研制了一台功能样机,重量约为0.2 kg,功耗小于2 W,系统计算能力大于220 DMIPS,具备双CPU冷备份功能,满足微纳卫星低功耗较高可靠性的要求,同时该样机可通过通用系统总线扩展不同功能,实现在各种微纳卫星中的应用。

关键词： 电子封装   超声固相连接   超声复合钎焊   超声纳米连接   高功率器件  

摘要： 为满足电子制造与封装对新材料与工艺的迫切需求,尤其是高功率、高温服役、高集成度以及高可靠性等新型器件的连接难题,开发了面向电子制造的功率超声微纳连接技术。从固相键合、超声复合钎焊和超声纳米连接3个方面,综述了面向电子制造的功率超声微纳连接技术的原理方法、优势与应用场合。功率超声由于其表面清洁、声流和空化作用,将大幅提升冶金反应速率,有效解决了传统TLP反应温度高时间长,以及Cu和Al等金属的易氧化等问题,甚至攻克了Al2O3,AlN,SiC等陶瓷基板的难润湿以及低温纳米颗粒烧结驱动力不足的难题。综述了该领域多年来的研究成果,聚焦电子制造中的功率超声微纳连接技术,从固相连接领域的引线键合、室温超声金属连接和超声增材制造,到钎焊领域的超声低温软钎焊、超声中高温连接以及超声瞬态液相连接,最后针对第三代半导体高功率器件简述了超声纳米连接,探讨了功率超声微纳连接技术的研究进展及趋势。