固体电子学研究与进展

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沈国策, 周骏, 陈继新, 师建行, 杨驾鹏, 沈亚

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 323-329.

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基于硅基3D异构集成工艺,提出了一种低剖面、轻质化2×2硅基毫米波AiP阵列,内部集成了微带贴片天线阵列、单通道GaAs收发放大芯片、四通道SiGe幅相多功能芯片和电源调制电路等。采用硅片与低介电常数材料相结合的方式,降低天线衬底的复合介电常数,提升辐射效率和增益。通过高深宽比TSV和高密度微凸点,实现微波信号、数字信号和电源的垂直传输,对外采用标准的BGA端口。测试结果表明：在34~36 GHz内,2×2硅基AiP的等效全向辐射功率大于31.5 dBm,接收增益大于22 dB,射频输入口回波损耗小于-13 dB,具有5位移相、5位衰减功能,外形尺寸为12.0 mm×14.0 mm×2.6 mm,重量仅为0.75 g,可实现±30°的波束扫描。

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小型化硅基毫米波MEMS三维异构集成开关滤波器件

侯芳, 孙超, 栾华凯, 黄旼, 朱健, 胡三明

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 330-336.

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针对传统开关滤波器组件体积庞大、重量重、调试复杂、集成度低的问题,设计并制作了一种小型化六通道毫米波硅基MEMS三维异构集成开关滤波器件。该器件以四层堆叠的高阻硅材料为衬底,工作频段覆盖18~40 GHz,内部集成了6款小型化空间堆叠的MEMS滤波器和2个单片开关,采用3D-TSV（硅通孔）异构集成工艺,实现了开关与滤波器组的晶圆级集成。为了优化毫米波频段集成滤波器性能,提出了MEMS混合交叉耦合多层堆叠SIW（基片集成波导）滤波器拓扑结构,且其工艺与整个开关滤波器件兼容,极大提升了滤波器的带外抑制。经测试,该开关滤波器件带内插损<8.2 dB（包括2个开关共约4 dB的损耗）,反射损耗>10 dB,带边1 GHz处带外抑制>40 dBc。该器件体积仅19.0 mm×16.5 mm×1.1 mm,比传统开关滤波器体积减小了99.7%。

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GaN异质结场效应管中栅、漏电压对电子气的控制^*

薛舫时, 杨乃彬, 陈堂胜, 孔月婵

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 337-342.

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从自洽求解二维泊松方程和薛定谔方程出发,编制出计算GaN HFET内不同栅、漏电压下沟道能带、电子气密度及量子电容的软件,研究场效应管的电荷控制和DIBL。在异质结沟道阱研究中,改变栅电压算出的电子气密度及量子电容同C-V实验测试结果相吻合,证明求解薛定谔方程是研究异质结场效应管电荷控制的有效方法。考虑外沟道渗透到内沟道的电场梯度以后,算出了场效应管的电子气密度及量子电容。场效应管模拟算得的量子电容同实验测得的栅-源和栅-漏电容相吻合。研究了不同栅、漏电压和电场梯度渗透下的内沟道能带,发现漏电压引起的电场梯度渗透使内沟道能带下弯,导致阈值电压负移。证明阈值电压负移由外沟道渗透到内沟道的电场梯度产生,用自洽能带计算方法可算得漏电压引起的阈值电压负移。提出使用能带剪裁优化设计异质结构来抑制DIBL的新理念。同有限元变分软件的类MESFET模拟相比,新能带计算软件可以求得电荷控制中的量子行为。由此提出编制异质结场效应管模拟软件的设想。

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基于GaN HEMT的非对称型Doherty功率放大器设计

汪荣昌, 陈新宇, 张吕, 陈志勇, 祝超, 曾瑞峰

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 343-347.

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采用SiC衬底0.45 μm GaN HEMT工艺,设计了一款GaN混合集成两级非对称Doherty功放,在较大的回退状态下仍具有较高的效率。为了减小芯片尺寸,采用无源集总元件搭建功率分配器,同时采用π型结构替代1/4λ阻抗变换线。测试结果表明：在3.4~3.6 GHz的频率范围内,饱和功率达到45.2 dBm,饱和效率达到53.2%。输出功率回退8 dB时的效率达到40%,线性增益达到24 dB。以80 MHz带宽LTE信号作为输入,经过数字预失真（DPD）技术优化后的邻信道功率比（ACPR）为-50.8 dBc。电路尺寸为10 mm×6 mm。

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GaN(0001)表面台阶结构的第一性原理研究^*

李尧, 伍莹, 冯加贵, 熊康林

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 348-353.

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半导体表面的研究对了解半导体材料的表面形貌、原子结构、材料生长以及电学性质等具有重要意义,其中半导体表面的台阶结构对材料生长起着重要的作用。基于密度泛函理论的第一性原理计算方法,对GaN（0001）表面台阶的原子构型和电子结构等性质进行了计算。对符合化学计量比的（Ga2, N1）台阶进行结构优化后发现,GaN表面Ga原子出现向上向下交替弛豫现象。电荷密度分布图和能带结构结果表明,向上弛豫的Ga原子出现电荷分布,其能带处于费米能级以下,向上弛豫的Ga原子贡献表面态。部分态密度结果表明,不同的台阶边缘具有不同的性质,因此导致带隙中不同特征带的出现。

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一种改进的高频GaN HEMT器件模型

余国栋, 汪珍胜, 王储君, 王维波, 陶洪琪

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 354-358.

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提出了一种改进的氮化镓高电子迁移率晶体管（GaN HEMTs）的小信号和大信号模型。该小信号模型通过改进拓扑结构来提升对高频下分布式效应的拟合,对比栅宽为4×30 μm 的100 nm栅长GaN HEMT器件,在110 GHz内的平均拟合误差为3.48%。在非线性电流模型中,改进的电流方程提升了对低栅压下直流I-V特性的拟合精度,通过结合非线性电容模型,构建了GaN HEMT大信号模型。对比35 GHz负载牵引系统的测试数据,大信号模型仿真结果表明,改进的非线性模型对GaN HEMT大信号特性有良好的预测能力。

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垂直氮化镓鳍式功率场效应晶体管优化设计^*

杨嘉颖, 利健, 黄昊, 郑子阳, 吴健华, 贺威

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 359-364.

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主要研究了垂直氮化镓鳍式功率场效应晶体管的器件特性。利用理论计算和器件模拟,系统地设计和优化了n型氮化镓漂移层的掺杂浓度和厚度以及鳍宽度的参数,使得击穿电压和导通电阻达到最佳的折衷。经过最终优化后,当n型氮化镓漂移层的掺杂浓度、漂移层的厚度、鳍宽度分别为5×10¹⁵ cm^-3、0.2 μm时,得到高击穿电压为1 150 V、低导通电阻为1.01 mΩ∙cm²、高Baliga优值为1.31 GW/cm²。结果表明,通过本文方法优化的垂直氮化镓鳍式功率场效应晶体管可用于大功率和高压场合。

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PIN二极管限幅器线性度探究

王乔楠, 王生明, 邓世雄

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 365-369.

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针对ADC对线性限幅器线性度的不同需求,而开启功率电平是影响限幅器线性度的关键参数,探究了GaAs和Si基PIN二极管限幅器在30~300 MHz频率内的开启功率电平。提出多颗二极管堆叠的限幅器结构,提高了限幅器的开启功率电平,从而改善了限幅器的线性度。测试结果表明：在30~300 MHz频率下,采用自研和M/A-COM的PIN二极管堆叠结构的限幅器插损≤0.2 dB,回波损耗≥19 dB,相较于未堆叠结构开启功率电平提高了8~9 dB。该研究证明堆叠结构可以有效改善线性限幅器的线性度。

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一款0.1~2.0 GHz的高线性度低噪声放大器^*

张博, 贺城峰

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 370-375.

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采用0.5 μm GaAs pHEMT工艺研制了一款0.1~2.0 GHz的高线性度低噪声放大器芯片。针对偏置电压随电源波动的问题,提出一种新型的具有稳压功能的有源偏置电路,既能补偿放大管阈值电压随温度的变化,又不受电源电压波动影响,同时在放大管的栅源两端增加反馈电容,以改善线性度与输入输出匹配度。测试结果显示,在频带内最大增益可达23 dB,噪声系数小于1.4 dB,OIP3大于35 dBm,P_1dB大于23 dBm,芯片尺寸为1.00 mm×0.95 mm。

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Si (111)衬底上Mg₂Si薄膜的XRD和拉曼光谱研究^*

廖杨芳, 谢泉

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 376-381.

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采用磁控溅射方法在Si（111）衬底上分别沉积不同厚度的Mg膜,然后低真空退火处理得到结晶良好的Mg₂Si薄膜。一定条件下,Mg膜的最优沉积厚度为2 300 nm,对应的Mg₂Si（220）衍射峰最强。所有样品均出现256 cm^-1附近的拉曼散射峰,该峰归因于Mg₂Si的F_2g振动模,且该振动模的积分强度随膜厚增加先增加后减小,硅衬底上2 300 nm Mg膜退火后的Mg₂Si样品的拉曼积分强度最强。

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SG-LongRang SOC芯片中低功耗宽分频比分频器的设计与实现^*

钟成, 李静, 龙强, 李津, 叶刘婷

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 382-387.

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设计了一种应用于频率综合器的低功耗宽分频比分频器,该电路为国家电网SG-LongRang无线传感网SOC芯片的频率合成器的关键组成部分。该分频器采用深亚微米BiCMOS工艺,包括第一级分频比可扩展的六级2/3双模分频器级联的可编程分频器;第二级8/9双模预分频器和7位脉冲吞咽计数器;第三级16/17双模预分频器和9位脉冲吞咽计数器。分频比设置范围从8~8 703,可覆盖SG-LongRang无线传感网200 MHz~3 GHz频段。

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NCP6324B型集成式DC-DC电源变换器总剂量效应研究^*

徐锐, 周东, 刘炳凯, 李豫东, 蔡娇, 刘海涛, 文林, 郭旗

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 388-393.

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研究了集成式DC-DC电源变换器在不同负载电流、不同输入电压、不同剂量率以及关断模式条件下的电离总剂量效应。实验采用在线测试和原位测试方法,在辐照前后以及辐照过程中,测试和分析了DC-DC电源变换器的关键参数。实验结果表明,大负载电流条件下,输出电压的退化更显著,且退化程度更严重,对这一现象提出了详细解释。输入电流作为关断模式条件下的重要敏感参数,可以用来评估器件的可靠性。此外,由于退火效应,低剂量率下的输出电压退化程度小于高剂量率下的输出电压退化程度。因此,剂量率的选择对分析和评估DC-DC电源变换器的电离总剂量效应非常重要。

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无带隙基准的超低功耗欠压检测技术研究^*

郭仲杰, 韩晓, 何帅, 曹喜涛, 苏昌勖, 刘申, 李晨

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 394-398.

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为了简化欠压检测系统的结构和提高电路的可靠性,提出一种低功耗的无带隙基准源的欠压检测电路结构。采用内部跟随电源线性变化的电压作为基准,与电源的分压进行比较,实现系统的欠压检测。该方法巧妙运用电源电压变化的不同曲率计算欠压点、无需传统的复杂电路结构,大幅降低了系统功耗。基于0.25 μm CSMC BCD工艺对提出的方法进行了具体电路的设计、仿真验证与流片测试,实测结果表明：在温度-40~85 ℃的变化区间下,芯片欠压检测阈值为1.683~1.829 V,芯片复位阈值为3.620~3.901 V,欠压检测相对精度达到5.34%,功耗低至17.3 μW。

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倒装芯片封装电迁移失效仿真研究

孟媛, 蔡志匡, 徐彬彬, 王子轩, 孙海燕, 郭宇锋

固体电子学研究与进展. 2021, 41(5): 399-404.

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随着电子封装发展趋于微型化,由倒装芯片封装的电迁移失效而引起的可靠性问题日益严重。运用ANSYS软件建立了倒装芯片三维封装模型,仿真计算得到电-热-力多物理场耦合下互连结构的温度分布、电流密度分布、焦耳热分布和应力分布,深入研究了焊球材料和铜布线结构及铜布线尺寸对电迁移失效的影响,结果表明优化后的电流密度缩小了4倍,电迁移失效寿命提高了8.4倍。

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2021年, 第41卷, 第5期　刊出日期：2021-10-25

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