固体电子学研究与进展

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王书晓, 刘雨菲, 孙嘉良, 宋若谷, 岳文成, 余明斌, 蔡艳

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 241-245.

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基于硅通孔（Through silicon via, TSV）技术的硅光转接板是实现2.5D/3D光电混合集成方案之一, TSV和再分布层（Redistribution layer, RDL）是集成系统中信号传输的关键组件。对基于硅光转接板的光电混合集成技术进行了介绍,研究了接地TSV排布对基于SOI衬底的TSV_RDL链路传输性能的影响,并展示了带有TSV_RDL链路结构的光电探测器的高频特性。该探测器3 dB带宽可以达到31 GHz,为基于硅光转接板的2.5D/3D光电混合集成的实现奠定了基础。

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面向异质集成的Au-Sn、Au-In晶圆级键合

吴焱, 刘鹏飞, 姜理利

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 246-250.

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针对高温（>300 ℃）及低温（<200 ℃）键合应用场景,提出了一种多沟槽键合结构,对键合参数、金属层厚度等方面进行优化,实现了基于Au-Sn键合、Au-In键合的三层GaAs-Si异质晶圆级堆叠。Au-Sn键合强度均大于293.10 MPa,键合区内观测到高强度、高可靠性的AuSn共晶组织。研究了单面In结构的Au-In扩散机理,提出不同阶段下Au-In扩散顺序及生成的金属间化合物。

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表面电荷对GaN基HEMT器件输运特性影响的研究^*

潘传真, 陈鹏, 徐儒, 丰建波, 赵红, 施毅, 张荣, 郑有炓

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 251-257.

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使用ATLAS（silvaco）仿真软件研究了不同表面电荷对GaN HEMT器件输运性能的影响。通过改变表面正电荷浓度大小从10¹² cm^-2增加至3×10¹³ cm^-2,器件击穿电压先快速减小,后趋于平缓。随表面负电荷浓度大小从10¹² cm^-2增加至3×10¹³ cm^-2,其击穿电压先快速增加,后趋于不变。在同样设定的表面电荷状态下,随表面正电荷浓度增加,其漏极饱和电流先快速增加,后趋于不变,相较于无表面电荷时,漏极饱和电流最大增加了7.3%。随表面负电荷浓度增加,其漏极饱和电流先快速减小,后趋于不变,相较于无表面电荷时,漏极饱和电流最大减小了88.7%。结果表明,当表面为负电荷时,对器件输出特性影响较大。当表面电荷浓度达到-10¹³ cm^-2,能够使漏极饱和电流大大降低,为基于GaN HEMT的探测器/传感器设计提供了理论支撑。

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新型双层外延水平沟道恒流二极管结构的优化研究^*

马飞, 贵向泉

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 258-263.

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利用Silvaco-TCAD半导体器件仿真软件研究了恒流二极管水平沟道结构对器件恒流值（I_H）、夹断电压（V_P）、阻断电压（V_R）及恒流值温度稳定性的影响。提出了一种新型双层外延水平沟道恒流二极管器件结构,降低了沟道两侧峰值电场强度。研制出的样品的电参数和温度稳定性得到了改善。

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电流体打印制备非晶In-Zn-O线型场效应晶体管^*

杜晓松, 沈秋华

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 264-267.

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无掩膜版直接图形化制备非晶氧化物场效应晶体管的方法在透明电子学领域受到了广泛关注。提出了一种简易可行的采用电流体打印技术制备高性能的铟锌氧化物In-Zn-O（IZO）底栅型场效应晶体管。在氧化物表面打印自组装单分子膜作为湿法刻蚀的化学保护层,制备了轮廓清晰的线条型IZO场效应晶体管。直写式制备的底栅型IZO晶体管展现了优良的电学性能：极低的漏电流（<1 nA）、高电子迁移率[2.0 cm²/（V·s）]、合理的通断比（3.1×10⁴）和较高的器件稳定性。实验结果为无掩膜版制备高性能氧化物晶体管提供了全新的方法。

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基于SiGe BiCMOS工艺的宽带有源矢量合成移相器

浦鈺钤, 沈宏昌, 童伟

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 268-273.

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采用0.13 μm SiGe BiCMOS工艺设计了一款高集成度的六位宽带有源矢量合成移相器,该有源矢量合成移相器采用定制设计的超宽带无源巴伦和RLC正交网络,产生宽带的正交信号,保证幅度和相位平衡性。采用双平衡吉尔伯特结构的矢量合成加法器对四路正交信号合成,其输入级偏置通过超宽带无源巴伦中心抽头提供,吉尔伯特结构开关级用作I、Q极性控制,尾电流源用作I/Q比值控制。通过数字译码电路和电流型数模转换电路控制对应移相位的I、Q极性和I/Q比值。采用双极型有源电感用作吉尔伯特结构的负载,最后合成的输出差分信号经过有源巴伦输出。测试结果表明,研制的有源矢量合成移相器芯片3 dB带宽为7~15 GHz,插损为14 dB,在8~16 GHz频率范围内寄生调幅小于±0.5 dB,输入1 dB功率压缩点为5 dBm,在9~15 GHz频率范围移相精度小于3°,电源电压为3.3 V,电流小于10 mA。包含测试焊盘,芯片尺寸为0.6 mm×0.9 mm,面积为传统同频段无源移相器的四分之一。

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热注入法制备的钕掺杂蓝光钙钛矿量子点^*

王新军, 杨勇, 胡鹏, 王向华

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 274-278.

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金属卤化物掺杂钙钛矿纳米晶体（NCs）已被证明可以通过精确控制非辐射复合来提高光致发光量子产率（PLQY）。通过热注入法合成了三价镧系元素卤化物氯化钕掺杂的钙钛矿蓝光量子点,通过X射线光电子能谱（XPS）观察到Nd 3d和Cl 2p的核心峰,这说明Nd^{3 +}和Cl^-成功掺杂到NCs中。这些蓝光Nd³⁺-CsPb（Br/Cl）₃量子点具有较高的光致发光量子产率,并且随着Nd³⁺掺杂量的增多,其光热稳定性得到很大提升。

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Ge基钙钛矿太阳能电池的数值模拟研究^*

宁维莲, 李玉霞, 甘永进, 覃斌毅, 蔡文峰, 杨瑞兆, 蒋曲博

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 279-284.

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以SCAPS太阳能电池模拟软件设计了结构为Glass substrate/FTO/ZnO/CH₃NH₃GeI₃/Cu₂O/Au的Ge基钙钛矿太阳能电池。探讨了吸收层的厚度和缺陷态密度、电子传输层的电子亲和势、载流子传输层和吸收层的界面缺陷态密度对电池性能的影响。由仿真结果知,当CH₃NH₃GeI₃厚度为500 nm、缺陷态密度为10¹⁸ cm^-3、电子传输层的电子亲和势为3.7 eV、电子传输层和吸收层界面及吸收层和空穴传输层界面的缺陷态密度分别为10¹² cm^-3和10¹⁸ cm^-3时,电池性能得到了一定提升,输出特性为：开路电压为1.12 V,短路电流密度为15.00 mA·cm^-2,填充因子为89.52%,效率为15.93%。

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低杂散、低相噪的电荷泵锁相环设计

蒲明臻, 赵宏亮, 鲜卓霖, 廖奎旭, 孙宝琛, 李旺

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 285-290.

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基于华虹0.18 μm SiGe BiCMOS工艺设计了一款低杂散、低相噪的电荷泵锁相环频率合成器芯片,其最高工作频率为400 MHz,射频输入频率范围为5~400 MHz,输入参考信号频率范围为20~300 MHz。本设计通过外接低通滤波器、压控振荡器,可实现完整的锁相环,如果把R/N分频都设置为“1”,芯片也可以单独当作电荷泵和鉴频鉴相器。芯片测试结果为：归一化相位噪声基底（噪声优值）为-228 dBc/Hz,电流源与电流沉失配小于2%,参考杂散为-107.6 dBc,带内噪声为-115 dBc/Hz@10 kHz。

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基于FPGA的毫米波雷达信号处理系统设计^*

周洲, 刘元, 陈光胜, 石春琦, 张润曦

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 291-298.

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介绍一种基于FPGA实现线性调频连续波（FMCW）毫米波雷达信号软硬协同处理的方法。根据FMCW雷达探测原理,设计了信号处理算法方案,采用FPGA+ARM异构方式,实现硬件电路系统。采用多级流水线（Pipeline）结构有限长序列（FIR）滤波器和双核快速傅里叶变换（FFT）并行处理电路,提升信号时频转换效率。FFT电路采用一级蝶形运算单元,节省硬件资源。为方便后续开发,设计了兼容CAN1.0和2.0协议的CAN控制器,直接输出探测结果。整个信号处理系统功耗为493 mW,消耗20 440个LUT。测试结果表明,该系统能够准确地测量目标方位,平均测距误差小于±10 cm,平均测角误差小于2.15°,并可同时完成多达3个目标的多目标探测工作。

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一种数字信号处理器的单粒子翻转加固设计^*

薛海卫, 沈婧, 王进祥, 魏敬和

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 299-303.

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为了降低数字信号处理器（DSP）电路在太空中发生单粒子翻转事件,本文从触发器单元、存储模块及电路系统三个层面论述了DSP的抗单粒子翻转加固设计。采用该抗单粒子翻转加固方法,实现了一款基于0.18 μm CMOS体硅工艺的DSP电路,该电路逻辑规模约为150万门,面积为9.3 mm×9.3 mm。通过重离子加速器模拟试验评估,该DSP电路的单粒子翻转率约为4.37×10^-11错误/（位·天）（GEO轨道,等效3 mm Al屏蔽）。

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基于JESD204B的多通道数据同步传输设计与验证^*

徐潇迪, 郭轩, 周磊, 季尔优, 武锦

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 304-308.

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JESD204B是一种专用于高速串行数据传输的接口技术,有利于多通道间数据的准确传输和延迟保持确定不变。设计了一种超高速ADC专用数据同步数字电路,并提出了相应确定性延迟的验证方案,满足JESD204B协议要求。该同步电路成功应用于八通道2 GS/s-12 bit ADC芯片,每条通道5 Gbps的串行数据输出,并基于40 nm CMOS工艺实现流片。基于现场可编程逻辑门阵列7K325T的测试平台,对芯片性能进行验证,其有效位数达到9.63 bit,芯片能够正常工作,通道间数据传输的同步性符合预期,测试多颗芯片的延迟结果为101个采样时钟周期,保证了延迟的稳定一致。

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InGaAs的荧光性质与生长温度的关系研究

高汉超, 王伟, 于海龙, 马奔, 尹志军, 李忠辉

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 309-312.

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研究了InGaAs外延材料在不同生长温度下的荧光特性。InGaAs的光荧光峰位随生长温度增加向高能方向偏移,荧光半高宽随生长温度的增加而降低。由于存在载流子局域势,荧光峰位偏移与温度依赖关系呈现典型的S形。使用两个激活能E_a和E_b来拟合荧光的积分强度,E_a可能与局域能E_loc有关,E_b与缺陷引导的非辐射复合过程有关。当生长温度低于490 ℃时,E_b随生长温度而增加,并在490~520 ℃之间保持稳定。本实验对生长高质量的InGaAs材料有指导意义。

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SiC MOSFET阈值电压漂移评测方法研究^*

吴维丽, 刘奥, 郭锐

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 313-318.

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报道了对SiC MOSFET阈值电压漂移评测方法的研究结果。在器件物理层面上分析了造成器件阈值电压发生漂移的原因,MOS界面陷阱、近界面陷阱、固定电荷以及可移动电荷都会影响阈值电压的漂移。为了衡量器件工艺水平,精准评测器件的阈值电压漂移量,搭建测试平台进行了阈值电压漂移量测试。通过试验发现,阈值电压在应力的作用下既会发生漂移也会恢复,偏置电压去除与阈值电压测试之间的时间间隔非常重要。对阈值电压漂移量的测试应在同样的电压扫描方式、同样的时间间隔以及相同的温度下进行。

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低应力掺钪氮化铝薄膜制备技术研究

王雷, 王冬蕊, 沈雁飞, 姜理利, 郁元卫, 黄旼

固体电子学研究与进展. 2021, 41(4): 319-322.

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分析了双层膜薄膜失效模型,提出了制备低应力掺钪氮化铝薄膜在薄膜体声波谐振器（FBAR）滤波器工艺中的必要性。利用反应溅射法制备掺钪氮化铝薄膜,并使用应力测试仪表征薄膜的力学性能,研究薄膜厚度、工艺时溅射功率、偏置功率以及工艺气压等参数对薄膜应力的影响,通过优化工艺参数制备了接近零应力的掺钪氮化铝薄膜。

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2021年, 第41卷, 第4期　刊出日期：2021-08-25

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