第一部分 半导体材料 1
第1章 碳纳米管中的电子运动：从电子动力学到电路模型 1
1.1 引言 1
1.2 碳纳米管的电子动力学 2
1.2.1 概述 2
1.2.2 碳纳米管的能带结构 3
1.2.3 碳纳米管的构造 4
1.2.4 单壁和多壁碳纳米管中有效的沟道数量 6
1.3 电磁学中的应用：碳纳米管作为一种新型的散射材料 7
1.3.1 概述 7
1.3.2 碳纳米管散射的电磁学模型 8
1.4 电路中的应用：碳纳米管作为一种新型的互连材料 10
1.4.1 纳米级互连中的碳纳米管 10
1.4.2 碳纳米管互连的TL模型 10
1.4.3 束状碳纳米管作为新型的芯片封装的互连材料 13
1.5 结论 15
参考文献 16
第2章 碳纳米管与CMOS的单片集成 18
2.1 引言 18
2.1.1 碳纳米管的合成 19
2.1.2 CMOS-CNT集成的挑战与讨论 19
2.2 通过局域电阻加热在类CMOS上合成碳纳米管 22
2.2.1 微加热器的设计 23
2.2.2 微加热器的制作及其性能 23
2.2.3 室温下碳纳米管的合成 29
2.3 后CMOS工艺无掩膜版碳纳米管的合成 30
2.3.1 集成原则和器件设计 30
2.3.2 器件的制备和性能 33
2.3.3 芯片上合成碳纳米管 37
2.3.4 碳纳米管表征和电路评估 38
2.4 结论 40
参考文献 40
第3章 便捷的、可扩展的外围电化学方法制备二氧化钛忆阻器 44
3.1 引言 44
3.2 原理和器件操作 45
3.3 忆阻器的应用 47
3.4 目前忆阻器的材料和制备技术 49
3.5 忆阻器的电化学阳极氧化法制备法 50
3.6 电化学阳极氧化基忆阻器的测试结果 51
3.7 结论 53
参考文献 54
第4章 有机半导体中的自旋传输：最初八年的简要概述 56
4.1 引言 56
4.1.1 数据存储中的自旋电子学 56
4.1.2 信息处理中的自旋电子学 58
4.1.3 有机半导体中的自旋电子学 58
4.2 有机物中的自旋传输和注入的基本原理 59
4.2.1 自旋注入 59
4.2.2 自旋弛豫 61
4.2.3 有机物中的自旋弛豫：一般情况下的考虑因素 63
4.2.4 自旋弛豫的长度和时间的测量：自旋阀器件 63
4.3 有机物中的自旋注入和传输：自旋阀实验 66
4.3.1 有机薄膜材料 66
4.3.2 有机纳米线 72
4.4 有机物中的自旋注入和传输：Meservey-Tedrow自旋极化隧穿，双光子光电子发射（TPPE）和μsR实验 74
4.4.1 Meservey-Tedrow自旋极化隧穿 75
4.4.2 TPPE发射谱 75
4.4.3 低能量Muon自旋旋转 75
4.5 总结与展望 77
4.5.1 非易失性存储器和磁场传感器 77
4.5.2 自旋为基础的经典力学和粒子计算 78
4.5.3 基于自旋的OLED 78
致谢 79
参考文献 79
第二部分 硅器件和技术 86
第5章 SiGe BiCMOS技术与器件 86
5.1 引言 86
5.2 SiGe HBT器件物理 86
5.3 SiGe技术的发展 88
5.4 SiGe器件的性能 88
5.5 器件的优化和蓝图 90
5.6 当代基于SiGe BiCMOS的射频器件 92
5.7 结论 93
致谢 94
参考文献 94
第6章 新型的高性能低功耗器件范例：极限FDSOI多栅MOSFET和多势垒促进栅极共振隧穿FET 96
6.1 模拟算法 97
6.2 纳米线晶体管栅耦合优化：静态电子学和量子束缚效应 98
6.3 RT-FET的物理特性 101
6.3.1 势垒宽度的影响 102
6.4 肖特基势垒RT-FET 104
6.5 结论 106
致谢 106
参考文献 107
第7章 三维芯片集成技术的发展 108
7.1 引言 108
7.2 三维集成技术 109
7.2.1 三维芯片集成的优势 109
7.2.2 三维芯片集成的局限性 109
7.2.3 不同种类的三维集成技术 110
7.2.4 三维集成的方法 111
7.2.5 三维芯片集成的关键使能技术 111
7.3 硅通孔 112
7.3.1 TSV工艺流程 112
7.3.2 通孔刻蚀 113
7.3.3 绝缘层 114
7.3.4 阻挡层和黏附层 114
7.3.5 TSV导电材料 114
7.4 键合技术 116
7.4.1 键合技术概要 116
7.4.2 IMC键合 118
7.4.3 IMC键合的特点 119
7.4.4 无助焊剂的键合 123
7.5 芯片—晶圆集成技术 125
7.5.1 芯片良品率和堆叠工艺 126
7.5.2 模腔技术 126
7.5.3 对准精度 127
7.5.4 测验效度：设计和功能 128
7.5.5 芯片模腔技术的结果 128
7.5.6 电学测试 129
7.6 三维集成底层充填封装 130
7.6.1 底部填充工艺概述 130
7.6.2 真空底部填充工艺 130
7.6.3 三维芯片堆叠真空底部填充的结果 131
7.7 结论 132
参考文献 132
第8章 嵌入式STT-MRAM 138
8.1 引言 138
8.1.1 嵌入式STT-MRAM的研究动机：应用前景 138
8.1.2 MRAM近期发展的工业化成果 138
8.2 磁性隧道结：STT-MRAM存储单元 139
8.2.1 铁磁金属中的磁化动力学 140
8.2.2 隧穿磁阻率 141
8.2.3 数据保持的能量势垒 142
8.2.4 自旋转移矩（STT翻转） 143
8.3 1T-1MTJ STT-MRAM存储单元 145
8.3.1 读操作余度 145
8.3.2 写操作余度 146
8.4 降低写入功率的MTJ材料工程 148
8.4.1 垂直磁各向异性 148
8.4.2 阻尼常数和STT效率 150
参考文献 150
第9章 非易挥发性存储器件：阻变存储器 153
9.1 概述 153
9.1.1 阻变存储器：历史和新兴技术 153
9.1.2 阻变存储器作为储存级存储器的挑战 154
9.2 BTMO-基阻变存储器 155
9.2.1 器件制备和电流-电压特性 155
9.2.2 用于嵌入式应用的阻变存储器在0.18μm Al工艺和0.13μm Cu工艺的集成 157
9.2.3 BTMO阻变存储器的掺杂效应 160
9.2.4 钳制电流的作用 161
9.2.5 物理机和相关证据 163
9.3 忆阻器 166
9.3.1 Leon Chua的理论：第4种基本元件 166
9.3.2 Pt/TiO2-x/TiO2/Pt忆阻器原型的发现 167
9.4 结论 169
参考文献 169
第10章 DRAM技术 172
10.1 动态随机访问存储器概述 172
10.1.1 DRAM单元 172
10.1.2 感应操作 173
10.2 DRAM感应容限 175
10.2.1 感应容限的定义 175
10.2.2 噪声对感应容限的影响 175
10.2.3 不同数据模式下的刷新时间和感应噪声的关系 184
10.2.4 如何改善感应容限 188
参考文献 191
第11章 单晶硅太阳能电池的优化和模型 194
11.1 背景介绍 194
11.2 太阳能电池的光效应模型 194
11.2.1 表面形貌 194
11.2.2 不同波长光的吸收反射特性 194
11.2.3 规则表面形貌的光学性能 197
11.2.4 规则和随机的表面形貌分布 198
11.3 电子效应模型 201
11.3.1 太阳能电池模拟结构的设计 201
11.3.2 建模方法 203
11.3.3 电流串扰 203
11.3.4 太阳能电池效率优化 204
11.3.5 三维、二维和一维模拟之间的比较 205
11.3.6 结优化 206
11.4 结论 208
参考文献 208
第12章 硅器件的辐射效应 209
12.1 引言 209
12.2 辐射环境 209
12.2.1 宇宙空间 209
12.2.2 陆地环境 210
12.2.3 人工辐射 211
12.3 TID效应 211
12.3.1 MOSFET 213
12.3.2 双极型器件 215
12.4 位移损伤 216
12.4.1 电荷耦合器件 217
12.5 单粒子效应 218
12.5.1 SRAM的单粒子翻转 219
12.5.2 闪存单元的单粒子效应 221
12.6 结论 222
参考文献 222
第三部分 复合半导体器件与技术 224
第13章 使用直接生长技术的GaN/InGaN双异质结双极晶体管 224
13.1 引言 224
13.2 GaN/InGaN异质结晶体管设计 225
13.3 GaN/InGaN异质结晶体管外延生长与制造工艺 226
13.4 直接生长GaN/InGaN双异质结晶体管的技术发展水平 227
13.4.1 铟在InGaN基极层中的作用 227
13.4.2 预烧效应 229
13.4.3 高性能的GaN/InGaN双异质结晶体管 230
13.5 Ⅲ-N HBT的技术发展趋势 231
参考文献 232
第14章 氮化镓高电子迁移率晶体管技术与应用 235
14.1 引言 235
14.2 器件类型与结构 236
14.2.1 传统的带有帽层的氮化镓高电子迁移率晶体管 236
14.2.2 先进氮化镓高电子迁移率晶体管 238
14.3 器件制备 241
14.3.1 凸型隔离 241
14.3.2 欧姆接触的形成 242
14.3.3 电子束光刻形成栅极 243
14.3.4 器件钝化 243
14.3.5 衬底减薄及通孔形成 244
14.4 器件性能 244
14.4.1 器件钝化效应 244
14.4.2 与温度相关的特性 247
14.5 氮化镓高电子迁移率晶体管的应用 249
14.5.1 GaN混合放大器 251
14.5.2 GaN MMIC 251
参考文献 251
第15章 基于GaN的金属-氧化物-半导体高电子迁移率晶体管的表面处理、工艺和性能 259
15.1 引言 259
15.2 GaN半导体的欧姆接触 259
15.3 栅氧化层：材料和淀积方法 263
15.4 GaN半导体的表面处理 264
15.4.1 硫化方法 264
15.4.2 氯化方法 267
15.4.3 PEC方法 269
15.5 基于GaN的金属-氧化物-半导体器件 271
15.6 基于GaN的MOSHEMT 274
15.7 结论 282
参考文献 282
第16章 下一代高功率／高温器件——大尺度硅衬底氮化镓基HEMT器件 287
16.1 引言 287
16.2 硅衬底氮化镓高频率高功率器件 288
16.2.1 直流特性 288
16.2.2 动力学特性 289
16.3 应用于苛刻环境的硅衬底氮化镓器件 291
16.4 硅衬底氮化镓功率晶体管开关的应用 293
16.4.1 超薄势垒器件的设计和制备 294
16.4.2 结果和讨论 294
16.5 可靠性方面 297
16.5.1 通过原位法生长氮化硅帽层增强热稳定性 297
16.5.2 功率开关器件的可靠性测试 298
16.5.3 射频器件的可靠性测试 300
16.6 结论 301
参考文献 301
第17章 应用于手机终端的砷化镓异质结双极型晶体管及功率放大器设计 303
17.1 引言 303
17.2 基于砷化镓的异质结双极型晶体管的基本知识 303
17.2.1 工作原理 303
17.2.2 直流与射频特性 305
17.2.3 镇流电阻的作用和电压驻波比的强度 307
17.3 用于手持终端的线性功率放大器设计 311
17.3.1 基本偏置电路拓扑结构 312
17.3.2 偏置驱动和AM-AM/AM-PM特性 315
17.3.3 偏置电路及AM-AM/AM-PM特性 317
17.3.4 谐波终端及其AM-AM/AM-PM特性 320
17.3.5 两级功率放大器的电路设计实例 323
17.4 结论 326
参考文献 326
第18章 Ⅲ族氮化物的负微分电阻和共振隧穿 329
18.1 引言 329
18.2 单层器件 329
18.3 共振隧穿二极管 330
18.3.1 电流-电压特性 332
18.4 超晶格 334
18.4.1 区域振荡和基于超晶格的高频源 335
18.4.2 导带分布和电场-迁移率的关系 336
18.4.3 电路设计 337
18.4.4 移动的电场区域 337
18.4.5 功率振荡及其频谱 338
18.4.6 功率效率 338
18.5 AlxGa1-xN/GaN超晶格二极管的制备和直流特性 340
参考文献 341
第19章 三氮化物半导体子能带光电学的新发展 345
19.1 介绍ISB光电子 345
19.2 用于近红外光电子的Ⅲ-氮化物材料 346
19.2.1 电子结构 346
19.2.2 生长和结构性质 348
19.2.3 光学特性 349
19.2.4 极化诱导掺杂 350
19.2.5 GaN/AlN量子点 351
19.2.6 AlInN/GaN系统 352
19.2.7 半极性Ⅲ-氮化物材料 352
19.2.8 立方Ⅲ-氮化物 353
19.3 近红外区域器件的操作 354
19.3.1 全光学开关 354
19.3.2 红外探测器 354
19.3.3 光电调制器 355
19.3.4 光发生器 356
19.4 长波长运行 356
19.5 总结和展望 358
参考文献 358