2022年, 第42卷, 第2期　刊出日期：2022-04-25

  

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宽禁带半导体
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  漏电低短路能力强的3 300 V IGBT模块^*

  高东岳, 叶枫叶, 张大华, 骆健, 高晋文

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 81-85.

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  为实现满足电网应用要求的短路能力强、反向偏置安全工作区大、工作结温高的3 300 V高压绝缘栅场效应晶体管模块,提出了一种具有N型增强层的IGBT元胞结构,采用P型隔离区的元胞布局结构和台阶形场板的保护环结构的IGBT设计。基于203.2 mm（8英寸）平面栅IGBT加工工艺,制作出的芯片封装成3 300 V/1 500 A的IGBT模块。模块常温下的饱和压降（V_CEsat）为2.55 V,动态总损耗（E_tot）为5 236 mJ;高温150 °C下的V_CEsat为3.3 V,集电极和发射极间的漏电流（I_CES）只有38 mA,E_tot为7 157 mJ。在常温时,当栅极和发射极电压（V_GE）为18.5 V的条件下,模块通过了一类短路测试。在150 °C下,模块通过了2.5倍额定电流的反向偏置关断测试。
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  基于F类和逆F类的双模式双频带功率放大器

  杨飞, 殷康, 于洪喜, 刘瑞竹

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 86-92.

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  应用氮化镓高电子迁移率晶体管设计并实现了一种基于F类和逆F类工作模式的双频段功率放大器。首先,分别讨论了F类和逆F类工作模式在理想晶体管和实际晶体管中的差异,结合动态负载线和电压电流波形,对实际晶体管功率和效率下降的原因作了深入分析。在此基础上,提出一种在双频段分别实现F类和逆F类工作模式的输出匹配电路。基于该匹配电路,仿真设计了一款双模式、双频带功率放大器,并进行了实物加工和性能测试。实测结果表明,在L和S频段200 MHz带宽范围内,功放输出功率分别大于41.3 dBm和41.2 dBm,漏极效率分别高于72%和69%,其峰值功率和效率在L频段为41.7 dBm和75.5%,在S频段为41.3 dBm和69.5%。实测和仿真结果吻合度高,证明了提出的设计方法的正确性和有效性。
器件物理与器件模拟
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  14 nm SOI FinFET器件单粒子瞬态的复合双指数电流源模型^*

  刘保军, 张爽, 李闯

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 93-98.

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  单粒子瞬态（SET）的电路仿真通常是注入双指数电流源来模拟,然而,纳米FinFET器件的SET采用单个双指数电流源模拟会带来较大误差。TCAD仿真结果较准确,但耗时较长,为了较为准确地电路仿真SET,提出了一种SET的复合双指数电流源模型。利用TCAD对电学特性校准的14 nm SOI FinFET器件的SET进行仿真,通过分析瞬态电流波形,对比双指数模型特点,提取特征参数,并利用遗传算法对模型参数进行优化处理,得到了关于线性能量转移（LET）的复合双电流源参数的解析模型。利用此复合双指数电流源模型与TCAD得到的瞬态电流波形、峰值和收集电荷量进行对比检验。结果显示,本文模型得到的SET电流波形与TCAD的基本吻合,与TCAD相比,模型的峰值电流的平均误差和最大误差分别为3.00%、5.06%;收集电荷量的平均误差和最大误差分别为4.02%、7.17%。
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  三角量子阱中磁极化子的Zeeman效应和Rashba效应

  梁雄, 单淑萍

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 99-103.

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  采用Pekar变分法研究了三角量子阱中磁极化子的Zeeman效应和Rashba效应,理论推导得到磁极化子基态能量的表达式。结果表明,磁极化子的基态能量不仅是波矢和磁场回旋共振频率的函数,而且还是电子面密度和电子-声子耦合强度的函数;由于晶体结构反演非对称性及磁场的影响,磁极化子能量发生Rashba自旋轨道分裂和Zeeman分裂;在强、弱磁场下,分别讨论了Rashba效应和Zeeman效应在能量分裂中所占的主导地位;由于声子的存在降低了极化子的总能量,使得极化子态比裸电子态更稳定。
射频微波与太赫兹
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  基于0.25 μm InP DHBT工艺的340 GHz放大器

  李茂, 孙岩, 陆海燕, 周浩, 程伟, 戴姜平, 王学鹏, 陈堂胜

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 104-108.

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  基于南京电子器件研究所0.25 μm InP DHBT工艺设计并实现了一款340 GHz放大器,采用多层金属堆栈互联的薄膜微带传输线结构,实现了太赫兹低损耗传输线和MIM电容。放大器为六级共发射极拓扑,采用整体匹配方法,通过降低损耗的方式提高增益。通过在片小信号测试系统和功率测试系统测试芯片,测量结果表明该放大器在340 GHz的小信号增益达到10.43 dB,300~340 GHz频率范围内的小信号增益大于10 dB,在340 GHz的输出功率为3.24 dBm。
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  基于InP DHBT的K波段高线性功率放大器

  许鑫东, 郭润楠, 张斌

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 109-113.

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  基于1.6 μm InP DHBT工艺,研制了一款MMIC高线性功率放大器。功率放大器采用两级结构,两级管芯皆偏置在AB类状态。功率放大器末级采用RC等效模型进行非线性匹配降低损耗,管芯基极采用自适应线性偏置技术提高线性度和温度稳定性。该芯片的尺寸为2.0 mm×2.9 mm。装壳测试结果表明,在25.5~28.5 GHz频带内,饱和输出功率为23 dBm;经双音测试,输出功率回退2.5 dB后IMD3小于-30 dBc。
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  基于PIN管的波束可重构双频反射阵列天线

  牛连生, 陆倩, 花磊, 于映

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 114-118.

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  利用PIN管实现反射阵列天线单元补偿相位的改变,使得反射阵列天线完成快速的双频宽角度电子波束扫描。天线结构为12×12反射天线阵列,通过在天线单元上添加PIN管,并编程控制PIN管的导通截止,可进行反射阵列天线双频宽角度电子波束扫描。仿真和实验表明,反射阵列天线在3.82 GHz和4.52 GHz均可实现±45°波束扫描,实测3.82 GHz增益为10 dB左右,4.52 GHz增益为13 dB左右。
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  C波段超宽带微型LTCC带通滤波器设计

  施超, 叶强, 罗昌桅

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 119-123.

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  基于低温共烧陶瓷（Low temperature co-fired ceramic,LTCC）技术设计了一款C波段超宽带、高抑制的带通滤波器,并通过LTCC技术对滤波器进行加工制作,满足了小体积、高性能、密集封装的应用需求。滤波器整体上采用了低通滤波器与高通滤波器串联的结构实现超宽通带,并引入传输零点来增加带外抑制,采用垂直叉指电容和双层螺旋电感来减少滤波器体积。最终实现的滤波器通带的中心频率为5.3 GHz,带宽为3 GHz,通带内插损小于0.8 dB,在DC~3 GHz处抑制达到了36 dB,在8~14 GHz处抑制达到了35 dB,通带回波损耗为12 dB。滤波器体积为：1.8 mm×1.0 mm×0.7 mm。
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  基于三维集成技术的X波段下变频模块电路的研制

  李昱坤, 钱兴成, 潘碑, 葛振霆, 宋俊欣

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 124-129.

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  为满足新一代模块组件的小型化、低成本、高性能、快速构建的需求,基于三维集成技术研制出一款X波段下变频模块的系统级封装模块。本设计采用三维垂直互联技术和板级堆叠（POP）技术,实现8~12 GHz信号的两次下变频功能。模块内部集成放大器、滤波器、开关和数控衰减器等,通过电磁及热力学联合仿真确保了模块具备良好的电气性能和散热性能。测试结果表明,该模块接收增益大于55 dB,噪声系数小于6 dB,杂散抑制大于60 dBc,并可工作于+85 °C的环境温度之中。
硅微电子学
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  基于SOI射频开关和电容阵列的天线调谐器

  单春燕, 卢新民, 蒋东铭, 钱峰, 周猛

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 130-134.

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  基于0.18 μm SOI CMOS工艺研制了一款高集成度的天线调谐器芯片,该芯片集成了射频开关、电容阵列和数模混合控制电路,面积仅为1 433 μm×760 μm。芯片核心射频电路由5 bit电容阵列和SP3T射频开关并联组成,其中电容阵列采用了基于射频开关的二进制加权并行结构,具有较高的电容值调节精度和调谐比。测试结果表明：电容阵列的电容值由0.3 pF步进到3.4 pF,每级步进0.1 pF,最大品质因数为36@1 GHz,SP3T开关的直流导通电阻为1 Ω,关断电容为180 fF@2.7 GHz,插入损耗为0.86 dB@2.7 GHz,输入功率为35 dBm时的二次谐波和三次谐波分别为-62 dBm和-57 dBm。
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  一种低压音频放大器的设计

  韩前磊, 时晨杰, 孔祥艺, 黄立朝

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 135-140.

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  基于CMOS工艺设计一种单声道、桥式（BTL）输出的低压音频放大器,工作电压为2.0~5.5 V。整体功能包含：基准偏置、共模偏置、开关控制、过温保护及功率放大器模块。芯片内部包含两个基准偏置电路：过温保护模块采用一个单独的基准偏置电路,其余电路模块共同使用另外一个基准偏置电路。电路发生过温保护关断时,过温保护模块可以保证电路随温度降低后的功能恢复。整体电路的开启与关断,受开关模块的控制,关断模式下所有电路实现静态关断。采用国内0.5 μm CMOS工艺完成流片,测试结果表明：3 Ω负载下最大输出功率3.3 W,关断电流0.6 μA,失调电压15 mV,电源电流6 mA,电源抑制比60 dB。
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  重离子单粒子辐射对超薄栅氧化层可靠性影响分析

  何玉娟, 雷志锋, 张战刚, 章晓文, 杨银堂

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 141-145.

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  研究了重离子单粒子辐照（Single event effect,SEE）效应对超薄栅氧化层（1.2 nm厚度）的斜坡击穿电压（Voltage ramp dielectric breakdown,VRDB）的影响情况。采用²⁰⁹Bi（离子能量为1 043.7 MeV）对65 nm CMOS电容进行（1~2）×10⁷ ion/cm²总注量的重离子辐射试验,并在辐射过程中进行VRDB试验。试验结果发现,经过²⁰⁹Bi重离子辐射后,超薄栅CMOS电容的泄漏电流略微增大,跨导-电压曲线稍有畸变;进行累积模式和反型模式的斜坡击穿测试,发现栅氧化层的斜坡击穿电压减小近5%。通过扫描电子显微镜（SEM）检查发现,重离子辐照后栅氧化层中形成微泄漏路径,导致其击穿电压降低,并强烈影响超薄栅氧化层的长期可靠性。
材料与工艺
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  GaAs集成电路的金属化缺陷失效定位研究^*

  刘丽媛, 郑林挺, 石高明, 林晓玲, 来萍, 陈选龙

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 146-149.

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  介绍了一种针对砷化镓集成电路（GaAs IC）金属化缺陷的失效定位方法。首先分析了GaAs IC不同金属化结构（如金属化互连、MIM结构、肖特基接触电极）的光发射显微及光致电阻变化（EMMI/OBIRCH）效应,再结合典型的电路原理,得到可能的电路缺陷模型与EMMI/OBIRCH结果之间的对应关系,从而快速、准确地由EMMI/OBIRCH图像得到金属化开路或者短路失效位置。案例研究结果表明,该方法可用于GaAs IC的失效定位,例如放大器、高速数字驱动电路、射频开关等,适用的失效模式包括基极金属化台阶断裂、源极金属通孔开裂形成的开路或MIM金属化桥连形成的低阻等。
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  正晶向SiC衬底上表面光滑的N极性GaN薄膜材料的生长^*

  沈睿, 李传皓, 李忠辉, 彭大青, 张东国, 杨乾坤, 罗伟科

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 150-156.

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  采用MOCVD技术在101.6 mm（4英寸）正晶向半绝缘C面SiC衬底上生长了厚度为1 μm的GaN缓冲层。通过深入研究不同AlN成核层上生长的GaN缓冲层的性质,揭示了正晶向SiC衬底上氮极性GaN的生长机制,发现成核层表面AlN岛的密度是决定缓冲层表面形貌的重要参数,对后续GaN的成核以及GaN岛间的合并具有显著影响。通过在AlN成核层外延期间引入N₂作为载气并且以脉冲方式供应铝源,研制的成核层表面成核岛尺寸小且致密性高,有利于促进GaN成核岛之间的横向合并,并抑制GaN缓冲层的岛状生长模式,从而获得了表面光滑的N极性GaN薄膜材料,原子力显微镜20 μm×20 μm扫描范围下的均方根（rms）粗糙度值为1.5 nm。此外,在表面平滑的GaN薄膜上生长的GaN/AlGaN异质结的电子输运特性也同步得到提升,这有利于N极性GaN材料的微波应用。
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  基于喷墨打印银基无颗粒油墨的柔性电极^*

  王宗辉, 田志明, 李明星, 严静, 方玉明, 李若舟, 于映

  固体电子学研究与进展. 2022, 42(2): 157-162.

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  柔性电极是柔性电子的基础组成部分,而低成本快速制备高性能柔性电极是柔性电子发展的基础问题之一。基于银基无颗粒银基油墨,利用低成本的家用喷墨打印机实现了柔性聚酰亚胺衬底上的导电电极的打印制备。经过热烧结处理后,得到了的柔性电极展示出优良导电性,良好的柔性弯曲特性和较强的附着力可作为柔性电路板实现良好的电连接,在此基础上实现了电容性柔性触摸按键。本文对制备低成本、易操作的柔性电路及柔性电子器件具有参考价值。