2021年, 第41卷, 第3期　刊出日期：2021-06-25

  

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三维集成射频微系统(专栏)
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  基板堆叠型三维系统级封装技术

  庞学满, 周骏, 梁秋实, 刘世超

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 161-165.

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  系统级封装是将多个具有不同功能的有源电子元件与无源器件组装到一起,组成具有一定功能的封装体,从而形成一个系统或者子系统。在三维系统级封装技术中,基板堆叠是对芯片堆叠的有益补充。从基板堆叠的角度出发,分析了三维系统级封装所需HTCC一体化封装外壳形式以及各类三维系统级封装形式,提出系统级封装的发展趋势与面临的问题。
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  多种添加剂及电流密度对高径深TSV电镀影响研究

  李杰, 王雷, 姜理利, 黄旼, 郁元卫, 张洪泽, 陈聪

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 166-170.

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  硅通孔（TSV）填充工艺是三维集成关键技术之一。通过分析对比TSV电镀填充药水光亮剂、整平剂的浓度以及电流密度等对于TSV电镀填充效果的影响,发现在光亮剂浓度10 ml/L、整平剂浓度30 ml/L条件下,填充效果呈底部生长且形貌较好;同时发现电流密度较低时,呈等壁生长,而电流密度较高时,底部产生孔洞。
宽禁带半导体
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  SiC光触发晶闸管的发展与挑战^*

  王曦, 蒲红斌, 封先锋, 胡继超, 刘青, 杨勇, 谌娟

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 171-175.

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  SiC光触发晶闸管不仅具备传统SiC晶闸管超高耐压、超大通流能力的特点,还在简化驱动电路、提高系统抗电磁干扰能力方面具备独有优势。概述了SiC光触发晶闸管的发展历程,介绍了SiC LTT紫外发光二极管（UV LED）触发、SiC LTT放大门极以及全光控SiC LTT等重要技术,讨论了SiC LTT仍面临的低触发光强与快开通速度难以兼顾的技术挑战,分析了放大门极结构在低光强触发模式下改善SiC LTT性能的局限性。最后,探讨了低光强触发模式下SiC LTT难以快速开通这一瓶颈问题的物理机制与改善方向。
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  一种平衡式GaN内匹配宽带功率放大器设计

  梁宸玮, 钟世昌

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 176-181.

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  基于南京电子器件研究所的0.5 μm GaN HEMT工艺平台,研制了一款2~5 GHz宽带固态功率放大器。采用低通L-C匹配网络消除虚部阻抗,并利用λ/4线实现宽带实阻抗到目标阻抗50 Ω的匹配,最后通过3 dB Lange耦合器实现宽带平衡式功率合成设计。测试结果表明,功放在48 V漏电压、1 ms周期、10%射频脉冲时,在2~5 GHz频带内,输出功率大于50 dBm（100 W）,最高输出功率达到51.2 dBm（132 W）,最大功率附加效率52%,合成效率典型值大于85%,二次谐波抑制度大于18 dBc,杂波抑制度大于60 dBc。
射频与微波
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  6~18 GHz超宽带功率放大器脊波导合成技术研究

  乔克, 成海峰, 王仁军, 韩煦, 马晓华, 喻先卫

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 182-186.

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  介绍了一种6~18 GHz超宽带脊波导合成结构。该脊波导合成结构包括微带到脊波导的过渡结构、E面T型脊波导合成结构和H面T型脊波导合成结构。基于该脊波导合成结构,采用8只GaN MMIC功率芯片,设计了一款超宽带固态合成功率放大器,测试结果表明在6~18 GHz的频带内,固体合成功率放大器连续波输出功率达90 W以上,合成效率大于90%,功率附加效率大于15%。
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  用于无人机侦测的超宽带微波接收机研究

  丁勇, 苏坪, 夏新凡, 张乐琦, 刘永杰

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 187-191.

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  提出了一种用于对无人机进行电子侦测的覆盖0.4~8.0 GHz超宽带微波接收机,具有异步搜索和同步跟踪的功能。该超宽带接收机采用两次变频体制,所采用第一本振为宽带本振,通过单刀双掷开关选择同步本振或异步本振作为第一本振,第二本振采用固定本振。该超宽带微波接收机具有平坦度低、杂散小、交调低、抗外界干扰能力强,且具有并行搜索信号能力和高精度侧向跟踪能力的特点。
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  高选择性5G毫米波SIW双频滤波器^*

  赵辉, 刘太君, 慕容灏鼎, 刘庆, 周挺, 代法亮

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 192-196.

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  介绍了一种用于5G毫米波通信的高选择性基片集成波导（SIW）双频滤波器。采用金属通孔微扰SIW双层圆腔的方法设计了双频带通滤波器,分别使用TM₁₀主模式和TM₁₁高阶模式实现双频。利用金属通孔扰动TM₂₁模式引入传输零点,使阻带之间具有高选择性,滤波性能更加良好。通过调节电耦合窗的半径,可以得到理想的通带插入损耗和通带带宽。同时,利用金属通孔间距的扰动来调节低通带的中心频率,而高通带的中心频率基本保持不变。低频段中心频率为28.4 GHz,相对带宽为6.7%,插入损耗为1.3 dB,高频段中心频率为39.1 GHz,相对带宽为8.2%,插入损耗为1.5 dB,两个通道的回波损耗均优于20 dB。
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  基于折叠短截线耦合理论的新型宽带带阻滤波器设计^*

  张友俊, 彭姚, 吴国青

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 197-202.

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  提出一种新型的基于折叠短截线耦合理论的宽带带阻滤波器（BSF）设计方法。根据所提出的方法,设计了一款阻带范围可控、传输零点可控、阻带抑制良好的紧凑型宽带带阻滤波器。该滤波器分为上下两部分,上部分为对称的主传输线加载折叠短截线单元,下部分是由公共短截线拓扑而成的矩形贴片。可以通过改变短截线单元的间隙耦合和矩形贴片的长度来调节阻带抑制性能和阻带范围。所提出的宽带带阻滤波器的截止频率为2.04 GHz,阻带中心频率为2.88 GHz,阻带范围为1.57~4.19 GHz,-3 dB衰减带宽达到90.9%。阻带内有三个可控的传输零点,并具有38 dB的良好抑制性能。-20 dB、-38 dB衰减带宽分别为50.3%（2.04~3.49 GHz）、36.5%（2.16~3.21 GHz）。实物测试结果与仿真基本一致。
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  手持终端小型MIMO智能天线阵列的优化设计^*

  魏盼盼, 王峰, 文舸一

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 203-209.

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  提出了一种工作在3.3~3.5 GHz频段的手持终端八单元MIMO智能天线阵列。该阵列由两个对称的四单元子阵列组成,分别放置在移动终端的两个长边偏上位置。四单元子阵总尺寸为45 mm×5 mm×3 mm,仅占基板长边约三分之一。先引入地面隔离槽,使MIMO接收系统获得良好的隔离和包络相关系数;再基于最大功率传输效率法,获得指定辐射方向的发射天线阵列的最优激励,并保证在该方向上获得最大增益;最后利用自行研发的波束成形控制器实现最优激励分布,从而将天线波束偏转到指定方向。天线阵列工作在3.45 GHz时,在x、z方向上增益分别为4.1 dBi和5.9 dBi。
硅微电子学
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  一款8 bit 480 MS/s逐次逼近型模数转换器

  吴琪, 张润曦, 石春琦

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 210-216.

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  介绍了一款采用55 nm CMOS工艺设计的单通道8 bit 480 MS/s逐次逼近型模数转换器（SAR ADC）。采用数据环与异步时钟环的双环结构作为高速SAR ADC的系统框架。提出一种带有复位开关的动态比较器,缩短复位时间,提高比较精度。结合反向单调切换时序,减缓因输入共模电压降低而引起的比较器速度下降,提高ADC工作速度。芯片测试结果表明：在1.2 V电源电压时,ADC消耗6.9 mA的电流;在100 MHz输入条件下,实现147.3 dB的FOM_S值,信噪失真比（SNDR）为42.7 dB,无杂散动态范围（SFDR）为50.53 dB。ADC核心面积为0.098 mm² 。
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  一种高电源电压抑制比的带隙基准电压源设计^*

  刘小妮, 刘斌, 张志浩, 章国豪

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 217-222.

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  基于带隙基准原理,在自偏置共源共栅结构的基础上对传统带隙基准电路进行改进,通过在带隙核心电路中加入对应的NMOS管和PMOS管,构成一个三层叠共源共栅结构,显著提高了带隙基准源的电源电压抑制比。电路采用0.2 μm的SOI工艺实现,实验室测试结果表明,该带隙基准电压源电路正常工作时输出基准电压为1.188 V,温度系数为5.4×10^-6/°C,启动时间约为2.2 μs。
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  一种适用于超高频标签芯片的低功耗电压基准电路

  沈红伟, 赵东艳, 唐晓柯, 李德建, 冯曦

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 223-228.

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  提出了一种适用于超高频无源电子标签芯片的低功耗电压基准电路。电路采用N⁺注入栅的PMOS管和亚阈值区温度补偿技术。芯片采用TSMC 0.18 μm CMOS混合工艺流片。测试结果表明：该芯片可以在1.2~2.4 V的电源电压范围下工作,1.2 V电源电压下电压基准电路静态功耗为60 nW。电路面积为0.01 mm²,TT/FF/SS工艺角无校准条件下输出电压温度系数为75×10^-6/℃。
材料与工艺
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  栅极面积和ESD结构对AlGaN/GaN MIS-HEMTs中LPCVD-SiN_x栅介质TDDB特性的影响^*

  戚永乐, 王登贵, 周建军, 张凯, 孔岑, 孔月婵, 于宏宇, 陈堂胜

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 229-234.

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  基于CMOS兼容性GaN工艺,研制出具有低压化学气相沉积SiN_x栅介质的硅基AlGaN/GaN异质结金属-绝缘层-半导体高电子迁移率晶体管（MIS-HEMTs）器件。通过威布尔统计分析,研究了栅介质面积和静电释放（ESD）结构对SiN_x的经时击穿（TDDB）特性的影响。结果表明,较小的栅介质面积有利于更长的器件寿命,而ESD保护结构有利于提升器件栅介质在高电压应力下的可靠性和稳定性,主要原因为SBD的寄生电容可有效吸收电脉冲感应在介质薄膜中产生的电荷。最后,通过线性E模型预测具有35 nm厚LPCVD-SiN_x栅介质的AlGaN/GaN MIS-HEMTs在栅极电压为13 V条件下的击穿寿命可达20年（0.01%,T=25°C）。
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  CMOS芯片键合失效分析与研究^*

  刘波, 崔洪波, 余超

  固体电子学研究与进展. 2021, 41(3): 235-240.

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  通过对CMOS芯片引线键合过程中发生铝焊盘剥落和出现“弹坑”两种现象进行分析,明确了该类故障现象的发生是由于键合焊盘受到了不同程度的机械作用而产生的不同程度的损伤。对可能造成该类故障现象的因素进行分析,主要因素有：芯片自身存在结构薄弱或原始缺陷,键合材料、键合参数等匹配不佳,操作中引入的不当因素等。对引线键合的方式和原材料进行优化,选定自动金球键合工艺,并采用单一变量法和正交优化法对自动金球键合的工艺参数进行优化,给出了自动金球键合工艺参数优选范围。通过环境试验对CMOS芯片自动金球键合工艺进行了可靠性评价。