2021年, 第41卷, 第1期　刊出日期：2021-02-25

  

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三维集成射频微系统(专栏)
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  硅基异构三维集成技术研究进展^*

  郁元卫

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 1-9.

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  为满足电子系统小型化高密度集成、多功能高性能集成、小体积低成本集成的需求,硅基异构集成和三维集成成为下一代集成电路的使能技术,成为当前和今后的研究热点。硅基三维集成微系统可集成化合物半导体、CMOS、MEMS等芯片,充分发挥材料、器件和结构的优势,使传统的高性能射频组件电路进入到射频前端芯片化,可集成不同节点的CPU、GPU、FPGA等芯片,实现信号处理产品性价比的最优化。梳理了业内射频和信号处理微系统硅基异构集成的主要研究历程和最新进展,分析了基于小芯片集成的接口标准技术,展望了硅基三维异构集成技术的发展趋势。
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  GaAs/Si晶圆片键合偏差及影响因素研究^*

  郭怀新, 戴家赟, 潘斌, 周书同, 孔月婵, 陈堂胜, 朱健

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 10-13.

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  针对化合物半导体与Si基晶圆异质集成中的热失配问题,利用有限元分析方法开展GaAs半导体与Si晶片键合匹配偏差及影响因素研究,建立了101.6 mm（4英寸）GaAs/Si晶圆片键合匹配偏差评估的三维仿真模型,研究了不同键合结构和工艺对GaAs/Si晶圆级键合匹配的影响,系统分析了键合温度、键合压力、键合介质厚度及摩擦特性等因素对键合偏差影响的规律。结果表明,键合压力和键合层摩擦系数对键合偏差的影响极大,并通过对上述因素的优化,其匹配偏差可控制到3 μm以内。
宽禁带半导体
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  基于AlN/GaN异质结的Ka波段GaN低噪声放大器研制

  张亦斌, 吴少兵, 李建平, 韩方彬, 李忠辉, 陈堂胜

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 14-17.

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  报道了基于AlN/GaN异质结的Ka波段低噪声放大器的研制结果。在SiC衬底上生长AlN/GaN异质结材料结构,采用电子束直写工艺制备了栅长70 nm的“T”型栅结构。器件最大电流密度为1.50 A/mm,最大跨导为650 mS/mm,通过S参数测试外推特征频率和最大频率分别为105 GHz和235 GHz。基于70 nm工艺制备的自偏压三级低噪声放大器,在33~40 GHz小信号增益大于27 dB,典型噪声系数为1.5 dB。
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  硅基氮化镓异质结材料与多晶金刚石集成生长研究^*

  杨士奇, 任泽阳, 张金风, 何琦, 苏凯, 张进成, 郭怀新, 郝跃

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 18-23.

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  在50.8 mm（2英寸）硅基氮化镓异质结半导体材料上采用低压等离子体化学气相沉积方法淀积100 nm厚度的氮化硅材料,然后采用微波等离子体化学气相沉积设备在氮化硅层上方实现多晶金刚石材料的外延生长。采用氮化硅作为过渡层和保护层有效调控了材料应力,保护了氮化镓基材料在多晶外延过程中被氢等离子体刻蚀,使得外延前后氮化物异质结材料特性未发生明显退化。透射电子显微镜测试结果显示,样品具有良好的界面且在金刚石的晶界上存在非金刚石相。本次研究成功实现了氮化镓金刚石的异质集成生长,这对采用金刚石解决氮化镓基HEMT器件的散热问题具有重要意义。
射频微波与太赫兹
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  基于InP HBT工艺的高功率高谐波抑制W波段宽带八倍频器MMIC

  刘尧, 潘晓枫, 程伟, 王学鹏, 姚靖懿, 陶洪琪

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 24-28.

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  基于0.7 μm InP HBT工艺,设计实现了一种高功率高谐波抑制比的W波段倍频器MMIC。电路二倍频单元采用有源推推结构,通过3个二倍频器单元级联形成八倍频链,并在链路的输出端加入输出缓冲放大器,进一步提高倍频输出功率。常温25℃状态下,当输入信号功率为0 dBm时,倍频器MMIC在78.4~96.0 GHz输出频率范围内,输出功率大于10 dBm,谐波抑制度大于50 dBc。芯片面积仅为2.22 mm²,采用单电源+5 V供电。
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  基于多节SIRs的新型四通带滤波器设计^*

  张友俊, 方彦, 吴国青

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 29-34.

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  提出了一种基于多节1/2波长SIRs的具有通带可控的紧凑型四通带滤波器。该滤波器由上下两个谐振器A和B组成,谐振器A由两节1/2波长SIRs中心加载一段短路枝节组成,控制第二和第三通带;谐振器B由三节1/2波长SIRs中心加载一段短路枝节组成,控制第一和第四通带,最终得到了尺寸为8.09 mm×14.12 mm（0.10λ_g×0.17λ_g）的四频带通滤波器。实验结果表明,该滤波器的通带可控并且满足低损耗的要求,4个通带的中心频率分别为2.22/3.66/5.63/7.52 GHz,插入损耗分别为0.32/0.41/1.38/0.43 dB,每个通带的回波损耗都优于20 dB,实验结果与理论分析一致。
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  基于最大功率传输效率法的近场三维方向图赋形^*

  孙舒逸, 文舸一

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 35-40.

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  讨论如何利用带约束的最大功率传输效率（CMMPTE）法通过阵列天线来综合三维方向图。通过引入测试接收阵列天线,待设计的阵列天线与之构成无线功率传输（WPT）系统,从而将方向图的综合问题转换成WPT系统功率传输效率（PTE）的优化问题。通过调整约束条件,在保证PTE最大化的条件下可获得阵列天线的激励分布,根据激励分布设计馈电网络实现近远场方向图的赋形。作为例子,设计了中心频率为2.45 GHz的赋形天线阵列,该阵列由48个微带天线单元组成,排成六棱柱形状,并在棱柱内部实现了三维圆柱形的电场赋形。
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  一种基于折合式平面反射阵天线的毫米波高增益滤波天线^*

  朱熙铖, 张盼盼, 叶颖, 王玲玲, 葛俊祥

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 41-46.

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  提出了一种基于折合式平面反射阵天线的毫米波高增益滤波天线设计方法,将极化敏感的频率选择表面替代传统的极化栅,用作折合式平面反射阵天线的副反射面。基于基片集成波导技术设计了极化敏感的频率选择表面,该频率选择表面对于线性极化入射波情况下具有较低的插入损耗,同时可几乎全反射对应正交极化的入射波。得益于频率选择表面的频率选择特性,折合式平面反射阵天线可获得良好的滤波性能。为了验证该滤波天线的设计方法,设计并制作了一款Ka频段的毫米波高增益滤波天线,在35~37 GHz的工作频带,天线具有良好的辐射特性和滤波特性。
光电子学
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  Pr³⁺掺杂铯铅卤钙钛矿量子点的稳定可调色蓝光发射^*

  徐志梁, 栗文斌, 胡鹏, 王向华

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 47-52.

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  卤化钙钛矿型发光二极管（PeLED）的窄发射峰有望用于下一代显示器和照明, 但是能量转换效率特别是蓝色PeLED的转换效率仍然低于常规无机和有机LED的效率。在这些钙钛矿中用毒性较小的元素（通常是过渡金属和各种镧系元素）取代Pb,可在保持窄的发射特性的同时提高能源效率。本文介绍了Pr³⁺掺杂与Cl-Br卤化物交换结合的效果,产生了一系列蓝色发射量子点,峰值波长可在430~490 nm范围内可调,这些蓝色Pr³⁺-CsPb（Br/Cl）₃量子点的光致发光量子产率（PLQY）比未掺杂Pr³⁺的量子点相比提高了2~3倍。本文还研究了Pr³⁺掺杂蓝光量子点在365 nm紫外线照射下和高温加热时的稳定性,掺杂后的蓝光量子点的光热稳定性提升。
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  接触电极功函数对反式锡基钙钛矿太阳能电池性能的影响^*

  甘永进, 莫沛, 杨瑞兆, 饶俊慧, 李清流, 毕雪光

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 53-59.

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  因反式锡基钙钛矿太阳能电池可避免J-V迟滞以及铅元素,基于SCAPS-1D设计结构为ITO/HTL/CH₃NH₃SnI₃/PCBM/back-contact的反式锡基钙钛矿太阳能电池器件。其中NiO、Cu₂O以及P3HT分别作为空穴传输层,探讨导电玻璃ITO功函数在4.6~5.0 eV范围内电池性能的变化,并分析Al、Sn、Ag、Fe、Cu以及Au这6种材料作为背电极的电池器件的性能差异。由仿真结果可知,ITO功函数越高而背电极功函数越低,载流子的传输和收集受到促进,反式锡基钙钛矿太阳能电池性能更佳。另外,相比Cu₂O和P3HT,NiO是更适合该结构的空穴传输层材料。本文可为制备高性能反式锡基钙钛矿太阳能电池实验接触电极的选择提供一定的借鉴。
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  CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃MnI₃的电子结构和光学性质研究^*

  朱海霞

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 60-64.

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  采用第一性原理计算,研究了有机金属卤化物钙钛矿CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃MnI₃的电子结构、磁性和光吸收。CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃MnI₃都是具有直接带隙半导体,CH₃NH₃MnI₃磁基态为G型反铁磁序（G-AFM）。CH₃NH₃MnI₃在G-AFM状态下的带隙值为1.668 eV;当系统处于FM态时,多数自旋通道的带隙为0.696 eV,少数自旋通道的带隙为2.148 eV。结果表明,具有FM态的CH₃NH₃MnI₃的光激发电子将迅速熔化局域磁序。最后计算了CH₃NH₃PbI₃和CH₃NH₃MnI₃的光学特性,结果表明具有铁磁态的CH₃NH₃MnI₃（FM）表现出较强的红外光吸收。
材料与工艺
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  导热金刚石同大尺寸芯片的低温烧结银连接工艺^*

  赵柯臣, 赵继文, 代兵, 张旭, 郭怀新, 孙华锐, 朱嘉琦

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 65-68.

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  通过高导热银浆实现了连接大面积（>100 mm²）半导体硅片和金刚石的低温低压烧结技术。通过对金刚石表面镀覆金属薄膜,增强同烧结银界面处固态原子扩散,开发了商用烧结银膏在200 ℃下低温烧结工艺,得到金刚石-硅的均匀连接界面,计算得到孔隙率约为9.88%,中间烧结银层等效热阻约为1.38×10^-5 m²·K/W。
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  GaN HEMT器件稳态热特性试验研究

  施尚, 林罡, 孙军, 邵国健, 周书同, 陈堂胜

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 69-74.

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  大功率GaN HEMT器件在工作时较高的热流密度引发器件高温,而高温会显著影响器件性能及可靠性。从不同器件结构设计出发,结合器件热量传递理论,建立了器件热阻模型;采用高速红外热像仪试验分析了器件结构对GaN HEMT器件稳态热特性的影响,定量给出了不同总栅宽、不同单指栅宽、不同栅间距在不同功率密度下的稳态温升。相关结果可用于研发阶段器件结温的快速评估。
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  三相桥功率模块振动失效分析^*

  牛利刚, 金晓行, 刘杰, 杨阳, 李丹

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(1): 75-80.

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  可靠性验证中随机振动试验是造成功率模块失效的主要原因之一,通过对试验阶段三相桥功率模块的失效分析,表明随机振动造成的失效模式是互连键合线根部断裂。基于对键合线断裂失效机理研究,结合ANSYS有限元软件振动仿真,提出了可靠性改进提升方案,使键合线的等效应力从55.06 MPa降低至17.03 MPa,增加了键合线的工作寿命;通过对改进的三相桥功率模块进行X/Y/Z三方向各18小时的高加速随机振动试验,试验结果键合线完好,提升了三相桥功率模块的可靠性。