关键词： 学科发展   发展战略   中国   微电子技术  

ISBN: (纸本)9787030590015

摘要： 本书介绍了集成微系统技术的概念，指出集成微系统技术是利用微电子技术将热、光、磁、化学、生物等结构和集成电路制造在单芯片上的复杂微型系统；总结了集成微系统技术重要的标志性成果和发展规律。在此基础上，对集成微系统技术的发展趋势进行了总结：集成微系统技术正朝着微型化、集成化、多功能化、智能化与网络化的方向发展。书中还梳理了集成微系统技术面临的机遇与挑战。

关键词： 微纳电子器件   长期可靠性   退化机理   电离总剂量辐射环境  

摘要： 先进电子元器件在空间环境下面临辐射效应和常规可靠性的双重威胁。随着器件的特征尺寸缩小，内部电场强度增大，使得器件的长期可靠性问题愈发明显，而在空间中，总剂量辐射与常规可靠性共同作用会产生新的、更为复杂的损伤机制。目前国内外关于总剂量环境下器件可靠性在物理层面的退化机制尚不明确。因此，深入研究辐射与器件可靠性退化之间的相互作用，对于宇航元器件与电路长期、稳定、高效工作具有重要意义。　　本文选取超深亚微米工艺SOI MOS器件为主要研究对象，对器件在电离总剂量辐射环境下的热载流子效应、栅氧经时击穿和负偏置温度不稳定性分别进行了研究。　　随着沟道长度缩短，沟道中高能载流子引发的热载流子注入效应已成为影响MOS器件可靠性的重要因素。热载流子效应与电离总剂量辐射在损伤机理上具有一定的相似性，研究抗辐射加固器件的热载流子效应对于加深对总剂量辐射与热载流子效应之间相互作用物理机制的理解具有重要意义。本文通过实验对抗辐射加固工艺的T形、H形以及环形栅PD SOI NMOSFET在电离总剂量辐射下的热载流子可靠性进行了研究，结合仿真结果与理论分析，发现对于T形和H形栅器件，PD SOI器件在辐照后背栅与正栅产生了耦合效应，辐射导致的背栅电荷俘获影响了器件正栅的热载流子退化;在环栅器件中，发现总剂量辐射抑制了热载流子效应，同时消除了在热载流子应力中附加的偏置不稳定性效应。本部分研究得出了总剂量辐射和热载流子共同作用于不同结构SOI器件的影响，为高可靠性SOI器件在航天领域的更广泛应用提供了改进思路。　　目前关于电离总剂量效应对MOS器件栅氧经时击穿的影响尚无定论，本文开展了关于不同能量质子、中子和伽马射线辐照对于不同栅氧厚度MOS晶体管和电容栅可靠性影响的一系列研究工作，通过研究辐照前后器件栅漏电、CV特性以及经时击穿时间进行研究，得出总剂量辐射对器件经时击穿的影响是MOS本征结构缺陷电荷与STI、spacer上辐照导致的电荷俘获共同作用的结果，并且首次发现了快中子辐照对器件栅介质可靠性的影响，为微纳器件在空间中的高可靠性应用提供了重要理论基础与实验依据。　　器件尺寸缩小使得PMOS器件的可靠性问题变得无法忽略，而关于辐射环境下PMOS器件的可靠性退化并无较多报道。本文对总剂量辐照后的PMOSFET的热载流子效应和NBTI效应进行了研究，结果表明在辐照环境下PMOS的热载流子效应更加严重，特别是栅电流退化，加快了器件失效的进程;另外，通过分析实验结果，得出在PMOS中总剂量效应与NBTI效应存在竞争关系，即在只考虑MOSFET本征结构时，辐照会提高器件的NBTI可靠性，而在引入STI结构后，辐照导致的STI电荷俘获会使得器件NBTI退化增强。该部分研究为先进纳米器件在空间辐射环境下的寿命评估提供了重要实验依据和理论基础，同时对于研究NBTI深层退化机理具有重要意义。　　综上所述，本文基于三种可靠性机制，对总剂量环境下电子元器件在长期工作中的退化过程进行了全面、系统的研究，加深了对总剂量辐照环境下微纳器件可靠性退化的机制的了解，为器件与电路设计人员提供了重要数据参考，为星载电子系统可靠性的研究提供了重要理论依据。

关键词： 热电子   光电探测器   多层金属光栅   导波共振   回音壁模式  

摘要： 热电子光电探测器可以突破半导体禁带限制,具有在零偏压和室温下运行、制备方便、尺寸紧凑且探测波长可调等优点吸引了科研人员的广泛关注。通过在金属纳米结构中激发表面等离子可以增强光与物质的相互作用,从而提高金属中的热电子产生率。由于在一维光栅结构中,表面等离子只能在特定偏振的入射光下激发,所以热电子光电探测器的响应度具有强烈的偏振依赖性。此外,较厚的金属层导致了严重的热电子热化损失和较低的输运效率。本文将针对器件对光的偏振依赖性和热电子收集效率低等问题,提出基于多层金属光栅结构和光学回音壁模式的热电子光电探测器,实现对入射光偏振不敏感的高效热电子光电转换。本论文的主要内容如下:1、详细介绍了热电子产生、输运和收集的基本原理和计算方法。比较分析了热电子产生的三种跃迁方式。通过第一性原理计算,对比几种金属产生热电子过程中三种跃迁方式的不同贡献。分析了热电子输运和收集的物理现象,并举例说明影响输运和收集的微观机制。介绍了热电子产生、输运和收集的理论模型和光学仿真时用到的电磁学和有限元法,为后续研究提供了理论基础。2、根据导波共振原理,提出基于多层金属光栅和双肖特基结的热电子光电探测器。通过激发和调控多层光栅结构中的导波共振模式,获得对入射光偏振不敏感、共振波长连续可调的光学响应。然后对基于多层金属光栅结构的热电子光电探测器件建立严格的电学仿真模型,对器件光电性能进行评价。结果显示,多层光栅系统实现了高达98%的偏振不敏感光吸收。并且,双肖特基结的设计提高了热电子收集效率,器件在1470nm波长处的光响应度约为1 mA/W。3、将光学回音壁模式和热电子内致发光过程结合,提出基于电介质纳米球阵列结构的热电子光电探测器。详细研究了回音壁模式激发和调控机理,获得了器件的光学响应和热电子产生率的空间分布。研究表明:极薄金属中也可以实现较高的光学吸收和热电子产生率;此外,极薄的金属层缓解了热电子的热化损失,提高了热电子的收集效率。通过严格的电学仿真预测器件在波长为974 nm处的响应度可以达到6.2 mA/W。

关键词： 摊销前利润   NXP   微纳电子   北京大学   制造工艺技术   奖学金  

摘要： 奥特斯在2018/19财年销售额和息税折旧及摊销前利润再创纪录在极具挑战性的市场环境中,奥特斯在2018/19财年的销售额和收益双涨。上半年移动设备、汽车和工业领域的需求强劲,下半年市场低迷。而半导

关键词： 生物微纳电子学   可靠性设计   生物放大器   磁随机存储器   纠错码   灵敏电路  

摘要： 在过去半个世纪内,以集成电路为代表的微纳电子技术在很大程度上改变了世界的面貌。然而,如今的微纳电子技术正在发生两方面革命性的变化:一是从技术推动转向需求牵引,“一代CPU产生一代计算机”的时代已经结束,集成电路芯片不再直接引领电子信息产品的更新换代,而是密切依据并迎合用户需求,与其他相关技术高度整合;二是应用领域从“计算机、通信、信息处理”三大传统领域,开始转向“健康、能源、环保”三大新兴领域。与传统的三大领域相比,新兴的三大领域是人类发展更加永恒的主题,微纳电子技术在该领域的未来应用与发展潜力不可估量。在生物医疗领域,微纳电子技术已经得到了一定的应用,通过使用人体植入式芯片,不仅可以实时监测人体器官的健康状态,而且可以智能化地给予人体器官电学、化学、机械的刺激,起到疾病治疗、动态用药和辅助康复等作用,甚至可以用植入式芯片取代已经损坏的器官,使其恢复机能。人体植入式芯片的技术核心是实现硬件的小型化、低功耗、低成本、多功能。而当半导体工艺技术逐渐进入纳米级节点时,所带来的芯片可靠性问题日益增多,例如生物电信号非常微弱,生物芯片对生物电信号的采集越来越容易导致信号失真,难以被后端处理模块转换识别。不仅如此,由于植入式芯片需要长时间在人体内工作,不能频繁取出或再植入,因此芯片内部信息的安全存储和芯片集成电路抗老化研究则成为植入式芯片可靠性设计中重点攻克的关键技术。针对生物微纳电子学所遇到的若干可靠性设计问题,本文基于信号采集、信息存储和电路抗老化三个方向进行了深入研究并给出了解决方案,主要工作如下:1.针对应用于生物微纳电子学中生物电信号采集的植入式芯片,对于可编程的生物神经记录放大器高可靠性结构展开研究。依据植入式芯片发展现状及对信号采集前端放大器的要求,设计了一种含有辅助运放的共源共栅密勒补偿方案,以提高低噪声放大器的稳定性;在此基础上,提出了一种开关漏电缩减方案,以减少可编程电容电阻阵列中MOS开关对系统低频稳定性的影响;最后,提出一种高可靠性、低噪声的可编程神经信号记录放大器结构设计。该放大器具有多种配置条件,以适应不同生物信号的放大及过滤需求,并在低电源电压(1.2V)、0.18μm标准CMOS模数混合集成电路制造工艺下进行了设计和仿真,以验证所设计的电路结构的可行性,并给出相应仿真结果。结果表明,所设计的可编程神经记录放大器(Nerual Recording Amplifier,NRA)具有良好的可靠性,满足生物电子系统对脑神经电信号多样性的采集和放大需要。2.基于当前技术条件下,使用自旋转移矩磁随机存储器(Spin Transfer TorqueMagnetic Random Access Memory,STT-MRAM)替代传统的存储器作为植入式芯片存储模块,通过对STT-MRAM的基本原理进行研究,得出STT-MRAM的存储可靠性相对较低:一方面是由它本身的物理与结构特性(如STT效应的随机性与读取干扰等)所决定;另一方面是由工艺本身的参数偏差(如参考失配等)造成的。此外,STT-MRAM的存储可靠性还受外界环境(如辐射粒子与热扰动等)的影响。将纠错码(Error Correction Code,ECC)技术应用于STT-MRAM或者传统的存储器类型中,可有效提升其存储的可靠性。为此,本文基于1T1MTJ存储单元结构,提出了针对线性分组码的新型译码方案。该方案包括两个校正子译码层:超前纠错层和非对称纠错层,用于处理具有非对称错误率特性的多比特错误,并对该译码方案进行了性能仿真验证,结果表明,该译码方案运行工作正常,为提升植入式芯片存储模块的可靠性提供了有力的技术支持。3.针对植入式芯片中负偏置温度不稳定性效应(Negative Bias Temperature Instability,NBTI)和场效应晶体管对工艺、电压和温度(PVT)变化的影响,基于应用于替代传统存储器的自旋转移矩磁随机存储器中的灵敏电路基本结构,深入研究了NBTI和PVT对灵敏电路的影响。针对此可靠性问题,本文设计了基于开关晶体管和平衡晶体管的新灵敏电路结构,以提高灵敏电路的可靠性,并基于所提出的灵敏电路,进行了理论研究和性能分析。利用垂直各向异性CoFeB/MgO-MTJ紧凑模型和商用40nm CMOS设计工具,对传统灵敏电路和所设计的新型灵敏电路进行了混合SPICE仿真和蒙特卡罗仿真。仿真结果表明,采用开关晶体管和平衡晶体管的灵敏电路不仅降低了NBTI对PMOS器件的影响,而且降低了灵敏电路对PVT变化影响的灵敏度,有效减少了集成电路的老化效应,提高了植入式芯片的可靠性。上述研究表明,本文对生物微纳电子学可靠性设计方向提供了一定的理论基础和技术支持,包括信号采集、信息存储以及电路抗老化。尽管这些研究工作取得了一定的进展和成果,但同时也存在一

关键词： 微纳卫星   电子侦察   小型化载荷   卫星组网  

摘要： 信息化战争中电磁对抗高度依赖于电子侦察装备的效能,航天电子侦察是构建综合侦察感知体系的重要组成部分。在微纳卫星技术迅速发展及应用方向不断扩展的背景下,针对微纳卫星在航天电子侦察领域的发展和应用问题进行了探讨。首先分析了发展微纳电子侦察卫星的必要性,然后对国内外微纳卫星发展的最新现状进行梳理和总结,最后为开展微纳电子侦察卫星相关技术和应用模式的研究提出几点建议。

关键词： 战略合作   纳电子学   北京大学   研究院   奖学金   三位  

摘要： IMT公司（Innovative Micro Technology）近期宣布：公司与北京大学微纳电子学研究院的战略合作持续深化，并已将第三届（2017年度）MEMS专项奖学金颁发给该院的官勇、贾德林和宋宇三位学生。

关键词： 电子标签   物联网   技术   事件触发   一次性   低功耗  

摘要： 这种一次性超薄低功耗电子标签可以被集成到各种一次性系统中或者粘贴到资产上，并由一次特定事件触发后进行通信。

关键词： 薄膜太阳电池   热电子光电探测   表面等离子   平面微腔   塔姆等离子  

摘要： 光电转换器件在能源、光电探测、生物传感和医学等领域发挥着至关重要的作用。近年来,随着纳米科技的进步,光电转换器件不断朝着纳米化方向发展。然而,器件小型化导致了光与物质相互作用减弱,降低了光电转换器件的性能。利用纳米光子学原理,引入微纳结构可以有效地控制器件工作过程、增强对光子的操控能力、提高器件的光电转换效率和降低成本。本论文在微纳光伏与热电子光电转换方面做了一系列工作,包括新机理、新结构的科学原理探索、高性能的器件设计以及热电子光电转换的热力学损耗分析和设计策略等。本论文取得的研究成果主要包括以下内容:（1）薄膜太阳电池宽带吸收增强:提出将非晶硅（a-Si:H）层设计成二维光子晶体,增加电池中光学共振密度和强度,使得电池整体对入射光具有近乎理想的吸收。引入适当厚度的中间过渡层解决了由于顶电池与底电池光吸收增强不均衡导致的光电流失配问题,光电转化效率达到了12.67%,相对于平面结构提高了27.72%;为了进一步提高硅（Si）纳米孔阵列（NHs）光伏系统的光吸收效率,本文提出了双直径纳米孔阵列（DNHs）结构。顶层大直径NHs具有较低的有效折射率,实现了纳米结构与空气更好的阻抗匹配;底层小直径NHs增强了腔共振模式;二者共同形成了超宽带吸收增强,与均一直径的NHs相比提高了17.39%。（2）单根纳米线太阳电池（SNSCs）先进微纳陷光结构:提出在核壳结构的Si SNSCs中引入非对称设计,提高了光伏材料和电介质壳层焦点之间的光耦合效率。将核芯的硅适当地远离电介质壳层中心,器件陷光能力在几乎全部电池光谱上得到提升而不会降低载流子收集性能。光生电流密度和光电转换效率相比于传统的同轴包层设计提高40%;提出将纳米孔谐振腔集成到单根纳米线（NW）中提高光学谐振腔共振强度和对太阳光的吸收能力。不同于对半导体NW传统的形貌调控,非对称纳米孔设计显著地提高了泄漏模的辐射损失而对吸收器光学态密度影响不大。在没有考虑半导体材料体积减少的情况下,非对称纳米孔状单根纳米线太阳光吸收器（SNSAs）光电流密度相对于传统单根NW器件提高了37.5%。（3）基于表面等离子（SPs）的热电子光电探测:提出基于共型的透明导电氧化物/半导体/金属（TCO/S/M）纳米线阵列热电子光电探测器,实现了接近完美、对入射光偏振不敏感、极窄带的光学吸收和可见到近红外波段可调的光学响应。SPs的共振波长、共振强度和共振带宽可以通过晶格周期和拓扑结构来调节。通过激发局域SPs,在纳米线顶部拐角处引起了强电场聚集和高热电子产生率,器件的光电响应度是平面参考系统的5倍以上。（4）平面热电子光电探测器:提出将TCO/S/M结嵌入两个分布式布拉格反射镜（DBR）和无损的缓冲层中,实现平面微腔结构的热电子光电探测器。在共振波长处,金属吸收高达92%,是没有引入谐振腔的21倍,导致器件无偏压下的响应度提高了一个数量级以上;首次将塔姆等离子（TPs）引入到热电子光电转换中,并对热电子激发之后的瞬态动力学演变到热电子的详细输运过程进行了详细分析。通过在DBR/金属/半导体/金属平面多层系统中激发TPs,入射光强烈地局域在顶部金属和相邻的电介质层之间,导致顶部极薄金属层吸收了超过87%的入射光,在系统中引起了高度非对称的光学吸收和强的单向光电流。此外,这两种平面器件不仅简化了传统基于SPs的系统,还能获得高于金属纳米结构系统的光电响应和红外波段多带光电探测功能。（5）高效热电子光电转换的损耗机制分析和设计策略:由于热电子光电转换过程中各种损耗机制的存在,本质上决定了热电子器件效率很低;此外,热电子器件通常需要利用纳米结构等离子/超材料,这给低成本、大面积制备带来了挑战。在这项研究中,本文系统地探索了热电子器件的根本热力学损失、阐述了导致低光电转换效率的内在物理限制因素以及提供了相应的解决办法、探索了实现高效热电子光电转换的潜在策略。研究表明:较低的光学吸收、电阻耗散、接近均匀的热电子初始能量分布、热电子的快速热化、界面电子转移过程中的动量守恒等是导致热电子光电转换效率极低的关键原因。为显示提高系统性能的可能性,本文提出克服相应物理限制因素的三个实际系统,最终多域优化后的系统外量子效率在近红外波段可达60%以上。

关键词： 电子侦察   微纳卫星   雷达辐射源   定位精度  

摘要： 微纳卫星具有成本低、研制周期短、发射便捷等优点，可以快速进入空间，能够满足对局部战争和突发事件快速响应的要求，并且全球组网能够大幅度缩短对地观测的重访周期，因此在军事航天领域有广阔的应用前景。本文研究微纳卫星对雷达辐射源的电子侦察定位技术，具体工作如下:　　（一）针对单星侦察定位应用场景，提出了一种基于TOA观测序列实现对地海面雷达目标定位的新方法。建立了基于TOA序列的观测模型，给出了一种多级网格搜索得到目标位置的定位算法，推导了该定位模型的理论定位误差下界。仿真分析了TOA测量误差和卫星运动累积时间对定位精度的影响。　　（二）研究了微纳卫星双星时频差定位技术，对定位模型的理论误差精度进行了推导，仿真分析了各系统误差对定位精度的影响。针对基于互模糊函数(CAF)法的雷达信号时差频差联合估计问题，提出基于相干累加快速计算CAF的方法，只对脉内有效数据进行计算处理，避免了脉间噪声信号对频差估计的影响，也节省了大量的计算量。仿真结果表明，该方法能够高效地对脉冲串信号实现高精度的频差估计。　　（三）对微纳卫星星座侦察系统进行了研究，设计了全球广域覆盖的微纳卫星侦察星座，仿真结果表明，设计的星座方案能够对重点区域实现24小时连续覆盖，同时星座侦察系统可以通过数据融合的方法解决镜像模糊问题。