摘要:晶圆低温直接键合技术与传统键合方式相比具有对晶片及器件损伤小、无中介层污染、无需外部电场辅助等优势,在功率型半导体光电及电力电子器件、大功率固体激光器、MEMS、光电集成等领域具有巨大的应用潜力。文章从低温直接键合技术的发展历程入手,重点介绍了湿法疏水键合、湿法亲水键合和等离子体活化键合的物理化学机制。系统阐述了低温直接键合的工艺流程和键合强度的表征方法,探讨了低温直接键合的技术发展趋势,并对低温直接键合工艺的改善和创新应用拓展进行了展望。

摘要:提出了一款基于超材料的太赫兹幅度调制器,其结构由开口“弓”形超材料结构、高电子迁移率晶体管、斜十字馈线和碳化硅衬底四部分构成。“弓”形超材料结构开口处的连通和断开两种状态将对通过该结构的太赫兹波产生不同的响应。在开口处添加高电子迁移率晶体管可模拟开口连通和断开的效果。当对晶体管上的栅极不施加偏压时,超材料结构开口相当于导通,对太赫兹波透射系数高；当对晶体管上的栅极施加偏压时,超材料结构开口相当于断开,对太赫兹波透射系数低。仿真结果表明,在0.22THz处,对晶体管栅极不施加偏压时,调制器的透射系数为0.579；对晶体管栅极施加偏压时,调制器的透射系数为0.040。通过公式计算得到其调制深度为93%,而且对x和y极化入射波具有不敏感的特性。同时,通过分析0.22THz处的电场分布和表面电流分布研究了该太赫兹调制器的工作原理。所设计的太赫兹调制器具有调制深度高、结构简单和易于加工等特点,在太赫兹通信领域具有广阔的应用前景。

摘要:通过湿法腐蚀工艺成功制备了具有绝热结构的锰钴镍氧(MCNO)热敏电阻探测器。测试表明,绝热结构使得热敏探测器的热导大幅降低,在真空环境下仅为没有绝热结构器件的1/20,典型热导率值为1.37mW/K。通过V-I测试并结合理论曲线拟合发现,MCNO薄膜材料的热导率随温度增高而减小。绝热结构使得MCNO热敏探测器的响应率大幅提高,在30Hz调制频率、36V偏置电压下,响应率典型值为50.5V/W,是没有绝热结构器件的10倍。实验验证了在MCNO薄膜材料上制作绝热结构热敏探测器的可能性,为制作新型室温全波段高性能红外探测器奠定了基础。

摘要:利用高质量自支撑GaN衬底,通过外延方法制备了垂直结构的GaN基p-i-n型二极管结构。通过对材料结构、杂质浓度分布以及对器件整流特性的研究,探究了影响垂直结构器件特性的关键因素。结果表明,在同质外延的制备过程中,衬底表面的粗糙程度将使制备的环形结构具有不规则形状,这种不规则电极对垂直结构器件的性能将产生不利影响；此外,多种杂质在界面处聚集,进而形成平面漏电通道,是降低器件耐压值的主要因素。

摘要:设计了一种基于分布式传感技术的薄壁圆筒型液体温度和压力传感器。选取具有耐腐蚀、弹性性能好以及热膨胀系数大的不锈钢316L和铍青铜C17200分别对传感器进行封装。利用有限元仿真软件ANSYS Workbench对封装的传感器压力和温度特性进行仿真分析,得到器件的径向应变量,分析其布里渊频移随压力和温度的变化关系。仿真实验表明,使用铍青铜C17200封装的传感器压力灵敏度和温度灵敏度更高,在0~12MPa、-5~40℃范围内压力灵敏度达11.1MHz/MPa,温度灵敏度达2.56MHz/℃,相较于普通单模光纤分别提升7.4倍和1.7倍。

摘要:设计了一款用于高速图像传感器的可自调节、加速补偿CMOS电荷泵锁相环电路,通过在传统锁相环电路拓扑中,附加“双模式”逻辑时控的、低功耗加速充电补偿模块,实现了锁定时间与功耗的双重优化。基于180nm/1.8V CMOS工艺完成锁相环的电路设计和性能仿真,结果表明,基于所提出的加速补偿方案,改进后的锁相环可有效满足图像传感器对低功耗、高速、高频和低噪声输出特性的需求。在输入频率为1GHz的参考信号时,压控振荡器可达到0.55~2.82GHz,即2.27GHz的频率范围,相位噪声为-98.149dBc/Hz@1MHz,锁定时间缩短至5.2μs,整体功耗仅为1.98mW,同时输出的抖动噪声可低至2.81μV/Hz@1MHz,多个性能指标优于所对比的同类锁相环电路。

摘要:基于CO₂红外气体传感器微型化、智能化、低功耗的发展要求,创新性地提出一种中心温度为407℃的CO₂检测用微电子机械系统(MEMS)红外光源芯片。采用X型悬空桥式微热板结构,内部发热区域以环形走线的钨(W)电极为加热丝,以SiO₂和Si₃N₄双层薄膜作为机械支撑保护层,可防止钨电阻丝氧化并提高寿命。电热耦合有限元仿真分析显示,该光源芯片具有发热区温度分布均匀、热响应时间短、功耗低的优点。采用10.16cm(4inch)MEMS工艺完成了芯片的流片制造。测试结果表明,该光源芯片在24ms内即可快速升温至工作温度407℃,功耗低至46mW,工作电压为2.85V,工作电流为16.2mA,具有热响应时间快、功耗低、集成度高的特点。

摘要:构建了一种激光二极管(LD)侧面单向泵浦激光模块的理论模型。综合光线追迹和有限元仿真方法,推导了该模型下泵浦效率及晶体内光场分布均匀性的计算公式,数值分析了LD切向位移量、径向角度偏离度及晶体吸收系数等因素对泵浦效率和光场分布均匀性的影响。研究结果表明:随着吸收系数的增加,光场分布的均匀性呈现逐渐下降趋势；通过优化LD切向位移量和径向角度偏离量,仿真获得了高达93%的泵浦效率。研究成果对高功率LD侧面单向泵浦激光模块的优化设计和实验研究具有一定的参考价值。

摘要:提出了一种使用固定频率窄线宽激光器作为干涉光源的闭环谐振式光纤陀螺系统。该系统利用相位调制器对干涉光进行移频控制,完成对谐振腔逆时针方向谐振频率的跟踪和锁定。建立了陀螺系统Simulink模型并仿真研究了不同速率点下的陀螺输出特性,结果表明,±200(°)/s速率范围内逆时针谐振频率锁定时间小于15ms,陀螺标度因数非线性为2.41×10-4。与采用传统频率可调谐窄线宽激光器的闭环谐振式光纤陀螺系统相比,两者锁频时间和标度因数非线性基本一致。该研究为低成本闭环谐振式光纤陀螺系统的实现提供了理论和数据支撑。

摘要:基于二维三角晶格和正方晶格光子晶体分别设计了六端口和八端口光子晶体环行器。环行器由硅介质柱光子晶体波导和铁氧体介质柱缺陷构成。所设计的六端口环行器每个波导连接处只有一个铁氧体材料,能够有效降低损耗；八端口环行器波导连接处添加了多个铁氧体材料可有效提高隔离度。使用有限元法对电磁波在环行器中的传输进行了仿真验证。计算结果表明,六端口环行器各端口的隔离度达到22~38dB；八端口环行器各端口的隔离度达到21.7~40.5dB。设计的多端口环行器具有结构简单紧凑、隔离度高、损耗低的优点。

摘要:采用双靶共溅射的方法制备了光电性能较好的掺Al氧化锌(AZO)薄膜,利用X射线衍射仪、霍尔测试仪、SEM等多种技术手段研究了不同的Al溅射功率和快速退火条件对AZO薄膜的影响,发现AZO薄膜在Al溅射功率为15W、退火温度为400℃时性能最佳。当Al溅射功率为15W时,其电阻率最低为6.552×10-4Ω·cm,可见光波段(400~700nm)平均透过率超过92%。随着Al溅射功率的增大,可见光波段的透过率逐渐减小,红外波段(2.5~20μm)的透过率逐渐增大,最大为40%。

摘要:采用微分算子法,理论研究了一维热压电半导体梁在横向力作用下的静态弯曲问题,得到了位移、电势、载流子、温度以及剪力、弯矩、电位移和电流密度等物理场的解析解,并分析了温度对n型ZnO压电半导体悬臂梁力电热耦合性能的调控作用。研究结果表明:温度能显著影响压电半导体梁的力电场分布,造成电势、载流子、电场和电位移在高温区域发生显著变化,而对于位移、剪力和弯矩影响较小。该温度调控效果主要是由热释电效应产生的极化电荷引起的。

摘要:采用飞秒激光对AlN陶瓷进行表面加工实验,分析了激光能量密度和扫描速度对加工表面形貌和尺寸的影响,优选出兼顾加工质量与效率的工艺参数区间,即能量密度10~14J/cm²,扫描速度20~30mm/s。基于此,以螺旋扫描轨迹于AlN陶瓷上进行制孔应用,成功实现了无崩边及微裂纹等缺陷的圆孔、方孔及跑道孔加工。该研究验证了飞秒激光加工高质量多孔型的可行性,推动了硬脆材料激光制孔技术在半导体功率器件领域的应用。

摘要:针对基于物理气相输运法的碳化硅(SiC)单晶生长系统,考虑对流换热的影响建立了传热与传质数学模型,并采用数值模拟的方法研究了其生长系统内的温度场与气相流场。研究表明:坩埚内温度、温度梯度以及加热效率随线圈匝间距与线圈直径的增加而逐渐降低。旋转坩埚可有效解决因线圈螺旋形状而导致的温度场不均匀性。通过不断调整线圈与坩埚之间的相对高度,可保证高品质晶体生长所需的最优温度场环境。此外,坩埚内径尺寸的增加,会加剧其内部自然对流效应。

摘要:基于构形理论和多物理场耦合数值计算方法,建立了自然对流条件下均匀产热的多芯片组件模型,给定印刷电路板面积和芯片总占地面积为约束条件,分别以最高温度、最大应力和最大形变为优化目标,以芯片个数及芯片长宽比为设计变量,研究了芯片布局演化对系统性能的影响。结果表明:不同优化目标下,最优构形均为芯片长宽比为2.1的8芯片布局方式,多芯片组件的最高温度、最大应力和最大形变分别最多可降低16.5%,28.3%和26.9%。对芯片个数和芯片长宽比双自由度的优化效果要明显优于仅对芯片长宽比的单自由度优化。

摘要:设计了一种用于产生超连续谱的新型高非线性光子晶体光纤结构,其光纤包层空气孔大小从内到外呈凹型分布,将最内层空气孔直径d₁和最外两层空气孔直径d₅和d₆设置为较大值以分别获得高非线性和低损耗特性；为了降低光纤制作难度,将第二至第四层空气孔直径设置为相同。基于多极法分析了光纤包层空气孔间距Λ和各层空气孔直径对色散、非线性系数和损耗的影响规律,并设计了最佳结构参数。仿真结果表明,该结构光纤双零色散点分别为798和1260nm,色散极大值为71.6ps·nm-1·km-1,在0.72~1.3μm波长范围内,色散斜率小于0.81ps·km-1·nm-2,780nm处的非线性系数为153.2W-1·km-1,800nm处损耗为3.1×10-3dB/km,性能相比市场同类型光子晶体光纤更具优势。

摘要:由于硅通孔互连(Through Silicon Via,TSV)三维封装内部缺陷深藏于器件及封装内部,采用常规方法很难检测。然而TSV三维封装缺陷在热-电激励的情况下可表现出规则性的外在特征,因此可以通过识别这些外在特征达到对TSV三维封装内部缺陷进行检测的目的。文章利用理论与有限元仿真相结合,对比了正常TSV与典型缺陷TSV的温度分布,发现了可供缺陷识别的显著差异。分析结果表明,在三种典型缺陷中,含缝隙TSV与正常TSV温度分布差异最小；其次为底部空洞TSV,差异最大的为填充缺失TSV。由此可知,通过检测热-电耦合激励下的TSV封装外部温度特征,可实现TSV三维封装互连结构内部缺陷诊断与定位。

摘要:以包含碳纳米颗粒(CNP)的油墨、碳纳米管(CNT)和TiN纳米粒子为原料,采用高压静电喷涂技术在铝基底上沉积了CNT/CNP-TiN涂层。研究了静电电压、喷涂高度和喷涂量对涂层光吸收性能的影响。结果表明,静电电压为9kV、喷涂高度为30mm和喷涂量为35μL时制备的CNT/CNP-TiN涂层光吸收性能最佳,在400~1400nm波长范围内的平均吸收率高达97.1%。TiN纳米粒子、CNT和CNP搭建成蜂窝状团簇,团簇间形成的几百纳米到微米级的光学腔以及团簇内的几十到几百纳米的光学腔可捕获不同波段的光,拓宽吸收带宽,并通过多次反射增强吸收。此外,TiN纳米粒子、CNT和CNP具有良好的光散射效应,且大部分散射光可被光学腔捕获,进一步提高吸收率。

摘要:利用热管具有高效的导热能力,而半导体制冷具有无噪音、环保、制冷迅速等独特的优点,提出了一种基于热管散热的半导体热电冷水机结构。基于有限时间热力学理论,考虑包括汤姆逊效应在内的各种内部效应,建立了详细的计算模型。分析了关键运行参数和设计参数对装置最优电流和最优性能的影响,并给出了协调最大制冷率和最大制冷系数的最优参数区间。优化结果表明:当温差为20K、电流为2.5A时,最大制冷率和最大制冷系数分别可达29.49W和1.47,相比于优化前,分别提升了55.3%和47.0%。

摘要:基于第一性原理,应用Materials Studio软件对2H-MoS₂的能带结构、态密度、光学特性等进行了模拟研究。结果表明:MoS₂是间接带隙半导体,禁带宽度约为1.1275eV；材料在紫外至可见光波段具有一定吸收,吸收系数随波长增加而减小,拉曼光谱在375和400cm-1分别出现了E¹_2g和A_1g两个振动模式。在39.5°,33.5°等位置处出现了(103),(101)等晶面的衍射峰。采用磁控溅射的方法,在石英衬底上制备了不同厚度的MoS₂薄膜,发现该薄膜具有(101)择优取向,在375和407cm-1处也分别出现了E¹_2g和A_1g两个拉曼峰。随着厚度的增加,薄膜在可见光波段透过率下降,光学带隙向长波长移动,模拟结果与实验结果基本吻合。

摘要:文章对柱面微透镜阵列纳米压印中用到的精密模具的制作过程开展了仿真分析和实验研究。超精密切削技术是制作精密压印模具的有效手段之一。基于Johnson-Cook本构模型,采用有限元分析方法模拟了超精密切削过程中切削参数与切削力之间的关系,获得了优选的切削参数。实验结果表明,采用优选后的切削参数进行柱面微透镜阵列模具切削能够获得良好的切削效果。切削后模具的面形精度RMS值达到19nm,表面粗糙度S_q达到4nm。

摘要:精细导星仪(FGS)是空间天文望远镜精密稳像系统高精度姿态信息的快速检测装置,CMOS图像传感器的成像效果直接影响精细导星仪姿态信息的解算精度。而实际工作时,CMOS成像器件存在最佳的读出范围,超出此范围的入射光强与光生电子数的线性度低,无法获取有效星点来满足后级的质心坐标解算。为解决这一问题,提出一种估算不同星等最佳积分时间的方法,并将积分时间作为探测器参数选择与调整的主要依据。测量结果表明,像元暗电流的读出码值和探测器面阵RMS噪声值均随积分时间的增加而增加。依据星点光斑分布模型给出常用星等的最佳积分时间范围,结合星点的分布情况,得出7等星在视场范围内的星数约为7颗,论证了小型CMOS器件对星斑的探测能力。

摘要:针对红外与可见光图像尺度差异大、图像较模糊,且图像中可提取的特征点数量不足以及特征分布不均匀易导致现有配准算法失效的情况,提出一种结合滚动引导滤波和相位信息的红外与可见光图像配准方法。利用滚动引导滤波构建尺度空间,在不增加耗时的前提下尽可能保持图像边缘信息；提出一种改进的Shitomasi角点检测算法,提取具有尺度不变性且分布均匀的强角点；在特征描述阶段,给出一种新的加权函数进行频率扩展,以得到更显著的相位一致性信息,实现更准确的图像特征描述。实验结果表明,该配准方法对存在9倍尺度差异的红外与可见光图像仍能实现准确配准,且对多组图像对的配准RMSE误差均保持在2像素之内。

摘要:针对目前紫外成像仪中紫外光图像与可见光图像配准叠加精度低、电晕放电定位偏差大等问题,提出一种基于GoogLeNet模型、小波变换(Wavelet Transform,WT)和Canny算子相结合的紫外与可见光图像配准融合方法,并将其应用于高灵敏紫外成像仪中。首先,引入迁移学习的思想,利用预训练的GoogLeNet模型自主挖掘可见光图像和紫外图像的特征；其次,将提取出来的特征作为预测变量,输入极限学习机(Extreme Learning Machine,ELM),以空间变换参数为指导监督模型训练,实现高精度紫外与可见光图像配准；最后,利用二维小波变换与Canny算子对配准后的图像进行多分辨率分析与边缘检测,实现无紫外信息损失的图像融合。实验结果表明,所提方法的紫外与可见光图像配准精度高,融合效果良好,具有很好的工程实用价值。

摘要:为解决在激光直写系统中利用数字微镜器件(DMD)无法对纵向像素数大于768的灰度图像进行滚动显示的问题,文章在其控制电路的数据传输、存储及显示驱动技术方面开展了研究。利用FPGA中丰富的逻辑资源实现了图像数据传输方式的改进,通过移位寄存器对数据进行拆分和位宽转换。提出间隔存储方法实现大尺寸灰度图像数据的存储,基于此方法可实现灰度图像滚动显示时的数据读取。同时,省去在上位机中进行位平面拆分和图像分割的预处理步骤,简化了上位机操作流程并提高了系统数据传输效率。实验结果表明,该系统能够以419.6Hz的刷新率对大尺寸灰度图像进行滚动显示。

摘要:光刻投影物镜中透物镜的面形精度是影响光学系统成像质量的关键因素之一,而支撑变形是影响面形精度的一个非常重要的因素。为提高大口径透镜的光学检测复现性,设计了一种整体式柔性支撑结构,分析了重力作用下弹片数量和各尺寸参数等对透镜面形精度及复现精度的影响。分析结果表明:增加弹片数量、减小支撑距离透镜中心的距离及增大弹片厚度可使透镜的变形减小；可以通过缩短弹片长度、增加弹片厚度及弹片数量来提高复现精度。根据各影响因素与复现性的关系分析得到的优化参数下的复现精度为0.21nm rms,能够满足深紫外光刻投影物镜中透镜的高精度面形要求。

摘要:针对暗通道先验算法去雾后图像存在伪影和景深突变处留有残雾的问题,提出一种基于双重暗通道结合与高斯加权的去雾方法。分别利用超像素块滤波和中值方块滤波求取两层暗通道,对两层暗通道进行像素级结合并构造高斯加权函数进行加强,然后采用引导滤波优化透射率图。把雾图转化到HSV空间并提取包含天空等的白色区域,引入概率函数取白色区域前10%像素点的明度分量平均值作为大气光估计值。实验结果表明,所提算法能较好地保留图像细节并去除景深突变处的残雾,同时能改善伪影现象。

摘要:搭建了基于布里渊光时域分析(BOTDA)的海底电缆(海缆)振动信号监测模拟实验系统,通过实验获得了锚砸、冲刷、摩擦3种工况下的海缆振动信号。针对振动信号含有大量噪声,提出TSA-VMD-MPE降噪方法。利用被囊群算法(Tunicate Swarm Algorithm,TSA)优化变分模态分解(Variational Mode Decomposition,VMD),获取VMD分解层数与惩罚因子的最优值,对振动信号分解获得本征模态函数(Intrinsic Mode Functions,IMF)分量；利用IMF与原始信号的相关性及IMF的方差贡献率联合来确定IMF的多尺度排列熵(Multi-Scale Permutation Entropy,MPE)阈值,对振动实验信号进行降噪。实验结果表明:所提降噪算法使3种海缆振动信号信噪比平均提高了12.0296dB；将提出的MPE阈值方法应用于EEMD与CEEMD算法也获得了良好的降噪效果。