固体电子学研究与进展

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戈勤, 陶洪琪, 王维波, 商德春, 刘仁福, 袁思昊

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 1-4.

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基于自主开发的100 nm GaN高电子迁移率晶体管（HEMT）工艺,研制了一款工作频段覆盖E波段（60~90 GHz）的宽带高功率放大器芯片。放大器采用密集通孔结构的共源极晶体管,降低寄生效应,提高器件的高频增益。同时采用三级级联拓扑结构,结合紧凑的微带线宽带匹配电路,在60~92 GHz频率范围内,典型线性增益达到10.4 dB,增益平坦度为±1 dB,输入输出回波损耗小于等于-11 dB。通过行波式功率合成网络,在连续波状态下,芯片全频带内饱和输出功率不低于1.7 W。在64 GHz,最高输出功率达到3.5 W,相应功率增益为8.4 dB,功率附加效率为12.6%。

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X波段20 W高效率负载调制平衡放大器MMIC

印政, 陶洪琪

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 5-9.

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报道了一款采用0.25 μm GaN HEMT工艺的8~12 GHz高效率负载调制平衡放大器（Load-modulated balanced amplifier , LMBA）。高峰均比信号传输场景中,功率放大器的效率性能会在输出功率回退区间内急剧恶化。基于LMBA技术,结合有源负载调制与预匹配输出结构,有效提高了功放在输出功率回退区间的效率。在连续波测试条件下,该芯片在8~12 GHz频段内,饱和输出功率为43.2~43.8 dBm,饱和效率为50.5%~55.7%。饱和输出功率回退6 dB时,效率为40.2%~44.5%,相较于归一化理想B类功率放大器具有15%~17%的效率提升。

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截止频率0.8 THz的GaN肖特基二极管及其设计^*

代鲲鹏, 张凯, 李传皓, 范道雨, 步绍姜, 吴少兵, 林罡, 陈堂胜

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 10-15.

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通过设计圆形阳极以及相同面积不同周长的指形阳极,研究了不同阳极周长面积比对太赫兹频段内GaN肖特基二极管串联电阻的影响。在阳极面积分别为7.1、12.6、19.6 μm²时,采用圆形阳极的二极管串联电阻分别为14、11、6 Ω。相同面积下采用指形阳极的二极管串联电阻分别为6.0、4.4、3.3 Ω,截止频率达804、753、791 GHz,截止频率分别提升了27%、35%、25%。结果表明,适当提升肖特基二极管阳极的周长面积比能降低串联电阻,提高二极管的截止频率。

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基于InP HBT工艺的宽带非线性传输线梳谱发生器MMIC设计

曹军, 刘尧, 潘晓枫, 程伟

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 16-21.

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基于NEDI 0.7 μm InP HBT工艺,设计了一种宽带非线性传输线梳谱发生器MMIC,输出频率范围覆盖DC-100 GHz,最大倍频次数高达60。梳谱发生器由40级非线性传输线单元级联构成,每个非线性单元由高阻微带线以及基极-集电极短接的晶体管组成。在一定功率的正弦波或方波信号驱动条件下,芯片输出端可以得到系列高次脉冲信号。测试结果显示,常温状态下,当输入功率为23 dBm、频率为1 GHz的正弦波信号时,十次谐波输出功率为-17 dBm、三十次谐波输出功率为-28 dBm、五十次谐波输出功率为-34 dBm、六十次谐波输出功率为-36 dBm、一百次谐波输出功率为-44 dBm。

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一种基于DGS和EBG混合结构的毫米波滤波器设计^*

贾涛, 易兆, 董锎云, 郭琪富, 廖丹

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 22-26.

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设计了一款可应用于毫米波频段（22.5~29.5 GHz）的小型化、高性能带通滤波器。首先利用羊角型DGS结构的谐振特性,在基片集成波导（Substrate integrated waveguide, SIW）的高通通带内产生阻带和低通特性;之后在滤波器输入微带线上耦合U型电磁带隙结构（Electromagnetic band gap, EBG）,利用该结构产生的两传输零点之间的带宽可以调整的特性,来保证滤波器通带带宽及提供高带外抑制;最后利用电磁仿真软件HFSS 13.0对滤波器进行仿真与优化。实测结果表明,该滤波器整体尺寸为10 mm×5 mm,中心频率为26 GHz,3 dB截止频率分别为22.1 GHz和29.3 GHz,带宽为7.2 GHz,相对带宽达到了28%,滤波器的插入损耗为1 dB,回波损耗优于15 dB,上、下边带带外抑制均优于25 dB,可应用于毫米波频段无线通信系统中。

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基于人工表面等离子激元传输线的宽带圆极化频率扫描天线^*

张胜, 谢振江, 徐聪, 仝梦寒, 王俊

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 27-32.

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提出了一种由椭圆形人工表面等离子激元（SSPPs）馈电的新型宽带圆极化频率扫描天线。天线以椭圆结构单元SSPPs传输线为基础,沿传输线两侧周期性地加载开口环贴片,利用表面波的慢波特性实现天线的频率扫描,并且通过加载贴片偏移四分之一波导波长产生90°相移,实现圆极化辐射。仿真和实测结果均表明,所提出的天线在4.5~8.0 GHz的工作频带内回波损耗低于-10 dB,天线的扫描角度为-34°~+14°,在整个工作频带内实现了圆极化,轴比带宽达56%,平均增益为10.8 dBi。

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软印刷法便捷制备非晶Zn-Sn-O场效应晶体管^*

杜晓松, 沈秋华

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 33-37.

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在柔性透明电子学领域,非晶氧化物半导体是场效应晶体管的关键材料。采用了一种简单、低成本的方法,即软印刷技术制备高性能的锌锡氧化物Zn-Sn-O（ZTO）底栅型场效应晶体管（FETs）。利用自组装单分子膜（SAM）进行微接触印刷,制备了铟锡氧化物（ITO）源漏电极和ZTO晶体管沟道材料。柔性聚合物印章被用于SAMs的图形转移,然后在氧化物湿蚀刻期间用作化学保护层。光学显微镜和电子显微镜中可以清晰地看见良好的图形转移,其分辨率高,台阶轮廓清晰。电学测量显示制备的底栅型ZTO晶体管有着极低的漏电流（< 1 nA/cm²）、高平均电子迁移率[2.2 cm²/（V·s）]和优良的通断比（1.7×10⁷）。

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分层溅射法制备晶向可控的Mg₂Si薄膜^*

廖杨芳, 谢泉

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 38-43.

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采用分层溅射法在石英衬底上制备了结晶良好的Mg₂Si多晶薄膜。当Si膜的溅射时间均为25 min、Mg膜的溅射时间为18~22 min、退火温度为375 ℃时,随着膜厚增加,Mg₂Si薄膜的织构由（311）向（220）转变;退火温度为400 ℃时,薄膜的最强衍射峰均为Mg₂Si （220）。所有样品均在256 cm^-1附近出现了较强的拉曼散射特征峰,在347 cm^-1附近出现了较弱的拉曼散射特征峰,这两个峰分别属于Mg₂Si的F_2g和F_1u （LO）声子模。在石英衬底上,改变溅射条件和退火温度,可实现Mg₂Si薄膜的晶向可控制备。

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应用于CMOS图像传感器的高速列级ADC设计^*

郭仲杰, 苏昌勖, 许睿明, 李晨, 程新齐

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 44-49.

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针对CMOS图像传感器的高速化设计提出了一种列级ADC电路,其采用单斜式ADC与TDC结合的方式,通过时钟信号约束比较器输出,在量化的最后一个时钟周期内产生与电压对应的时间差值。利用TDC将该差值转换为相应的数字码并与单斜式ADC的量化结果做差,实现高精度转换的同时显著提高了ADC的量化速度。基于0.18 μm CMOS工艺,完成电路的具体设计、版图实现和性能验证。在模拟电压3.3 V、数字电压1.8 V、时钟频率250 MHz、输入信号范围1.5 V的条件下,10 bit ADC的信噪失真比（SNDR）达到55.74 dB,无杂散动态范围SFDR为66.79 dB,有效转换位数达到8.9 bit,DNL不超过0.3 LSB,INL不超过0.6 LSB,列级电路功耗仅为79 μW,行读出量化时间压缩至1 μs。为大面阵CMOS图像传感器的帧频提升提供了一种有效的ADC设计方案。

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一种高速高能效时域温度传感器^*

王子轩, 王鑫, 黄康琪, 杜逸飞, 王乾宇, 姚佳飞

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 50-57.

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高能效温度传感器在物联网（Internet of thing, IoT）系统中有着极为广泛的应用。提出了一种基于流水线型时间-数字转换器（Time-to-digital converter, TDC）的时域温度传感器,该温度传感器中的TDC电路采用了一种具有高线性度的可编程时间放大器（Programmable-gain time amplifier, PGTA）,使温度传感器的分辨率得到了较大提高。由于该流水线型TDC的转换速率高达约30 ns/conversion,使温度传感器具备高速的特点;又因为IoT系统通常采用周期性工作/关断模式,因而该温度传感器非常适用于IoT应用中。提出的温度传感器在台积电40 nm工艺下进行了流片验证,测试结果表明,该温度传感器在-20~80 ℃范围内实现了90 mK的分辨率,测温时间为1.5 µs。在0.7 V电源电压下工作电流为6 µA,实现了51 fJ∙K²的品质因子。

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固态源分子束外延生长碳掺杂InGaAs材料研究

于海龙, 高汉超, 王伟, 马奔, 尹志军, 李忠辉

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 58-62.

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采用固态源分子束外延系统（SSMBE）,以四溴化碳（CBr₄）作为碳掺杂源,系统研究了半绝缘InP衬底上碳掺杂InGaAs材料的外延工艺。为得到高质量高浓度P型掺杂InGaAs材料,分别对外延过程中的脱膜工艺、P/As切换工艺以及生长温度等关键参数进行研究。通过扫描透射电子显微镜（STEM）测量衬底表面氧化膜厚度,量化氧化膜厚度与脱膜时间的关系。通过P/As束流切换工艺,得到无P/As互混的InP/InGaAs界面。研究CBr₄束流对InGaAs外延层中In组分的影响,以及不同CBr₄束流对应的P型掺杂InGaAs材料载流子浓度和迁移率,研究CBr₄束流以及外延生长温度对InGaAs材料表面形貌和电学性能的影响。当CBr₄束流为26.66 Pa,生长温度为480 ℃时,可以得到载流子浓度为1×10²⁰ cm^-3,表面平整的高质量碳掺杂InGaAs材料。

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碳酸胍和聚乙二醇对单晶硅片CMP的影响^*

宋恩敏, 卞达, 徐浩, 赵永武

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 63-67.

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为了提高单晶硅片的抛光效率,探究了碳酸胍（Guanidine carbonate,GC）和聚乙二醇（PEG）对硅片在含双氧水的抛光液体系中化学机械抛光（CMP）的影响及作用机理,使用白光干涉仪观察抛光后单晶硅的表面质量。结果表明：GC的加入有助于材料去除率的提高,表面粗糙度有所增大;PEG的加入,会在硅片表面形成吸附层,降低硅片静态腐蚀速率,同时具有润滑作用,在一定程度上降低去除率,但会提高表面质量。当GC含量为1.2 wt.%、PEG含量为0.002 5 wt.%时,材料去除率为1 089.1 nm/min,表面粗糙度为0.844 nm（范围为550 μm×440 μm）。

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硅基异构集成模块金属互连失效分析

宋明宣, 林罡, 刘鹏飞, 张洪泽

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 68-72.

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介绍了硅基三维异构集成模块金属互连失效的一种定位方法。通过分析集成模块的金属互连结构,采用介质层剥离、金刚刀裂片、磨削制样等预处理方法,结合聚焦离子束（FIB）、电子能谱（EDAX）等工具,实现了故障点的有效定位。介绍了三维集成模块金属互连失效的一种失效机理。通过对集成模块生产工艺的分析,以及对实验晶圆进行模拟去胶实验,得到了导致失效的工艺原因。研究结果显示：在去胶工艺中,有机残胶未被完全去除,可能会在两层金属的接触界面,例如双层布线通孔界面、晶圆键合界面,产生阻隔、裂缝、孔洞等异常结构,阻碍电流的纵向传输,导致三维集成产品金属互连系统失效。

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“半导体科学与信息器件”领域2021年度国家自然科学基金项目申请与资助工作综述

孙玲, 陈蓓

固体电子学研究与进展. 2022, 42(1): 73-79.

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为国内科技工作者了解国家自然科学基金2021年度“半导体科学与信息器件”领域基础研究队伍、主要研究方向及项目立项资助等情况,对本年度F04申请代码下的面上项目、青年科学基金项目、地区科学基金项目、重点项目、优秀青年科学基金项目和国家杰出青年科学基金项目等项目类型进行了统计与分析,给出了自然科学基金各类项目申请中涉及面最广的面上项目和青年科学基金项目申请与资助的依托单位、申请代码分布,介绍了本领域按科学问题属性分类的评审试点和“负责任、讲信誉、计贡献”评审机制试点工作,展望了领域若干发展动向。

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