固体电子学研究与进展

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薛舫时, 杨乃彬, 陈堂胜

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 163-169.

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考虑大沟道电流下外沟道局域电子气慢输运行为破坏沟道电中性,诱生空间电荷导致的能带峰势垒,提出了新的跨导崩塌模型。详细计算了不同栅压和不同沟道电流密度、即不同空间电荷密度下的场效应管能带。引入新的能带峰势垒和沟道电子跨越势垒的动态模型,解释了沟道打开过程中源电阻增大、沟道电子平均速度下降、大沟道电流下跨导下降等各类跨导崩塌行为,解释了场效应管沟道电子速度远低于异质结材料的缘由。运用沟道打开时的异质结充电和大沟道电流激励下空间电荷触发的能带峰势垒模型解释了跨导钟形曲线上升段中的电流崩塌和下降段中的跨导崩塌。深入研究了陷阱和局域电子气的相互作用,解释了可靠性加速寿命试验中的跨导曲线变化。沟道夹断的强负栅压应力产生内沟道逆压电缺陷,减弱栅电压对内沟道电子气的控制和沟道打开时跨导的上升斜率。沟道打开后的大电流应力使局域电子气与晶格碰撞产生热电子缺陷和空间电荷,抬高能带峰势垒引发外沟道堵塞,降低沟道电流,导致阈值电压正移。这一研究证明在场效应管直流和射频工作中的器件性能退化都是由陷阱同局域电子气相互作用产生的,开创了优化设计异质结能带来提高场效应管可靠性的新途径。最后讨论大沟道电流下能带峰势垒引发的外沟道堵塞和跨导崩塌在场效应管研发中的重要作用,提出了在空间电荷区上方设置专用的异质结鳍来平衡内、外沟道能带,解开场效应管中的电流崩塌、跨导崩塌、线性、器件性能退化及3 mm高频工作等难点。

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基于EBG封装技术的E波段功率合成放大器研究

吉小莹, 朱翔, 孙健健, 成海峰

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 170-176.

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基于过模波导功率合成技术及电磁带隙（EBG）的封装结构,设计并制作了工作在71~76 GHz、81~86 GHz的两款4路E波段功率合成放大器。设计的波导T型结功分/合成结构将标准波导通过阶梯渐变波导转换至过模波导,降低了高频功率合成器的加工难度,实现了E波段高效功率合成。设计了周期性金属销钉形成的EBG结构,抑制了金属腔体在高频时产生的谐振模式和平行板模式,提高了腔体的隔离度,实现了高频功率器件的封装。研制的两款固态功率放大器经测试,在71~76 GHz和81~86 GHz范围内,合成功率典型值为8.5 W和7.9 W,典型电源转换效率为12.1%和14.4%,两款功放的T型结合成效率都超过92%。

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基于三维模型的NPN双极型晶体管电离辐射效应仿真模拟^*

陕宇皓, 刘延飞, 郑浩, 彭征

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 177-183.

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为更加迅速可靠地评估星用双极型晶体管抗电离辐射损伤性能,建立了三维NPN晶体管模型,并对其电离辐射效应进行了数值模拟。仿真计算了电离辐射在晶体管中产生的氧化物正电荷陷阱以及界面陷阱,以此模拟不同总剂量、剂量率电离辐照对晶体管的损伤;以漂移扩散模型计算了晶体管典型性能的响应,验证了晶体管的总剂量效应和低剂量率损伤增强效应。结果表明晶体管对电离辐射敏感的区域位于基区和发射结区附近的Si/SiO₂界面,从Gummel曲线提取的归一化增益发现,电离辐射损伤可能使晶体管增益降低50%以上,这对晶体管性能影响很大。该方法可以在降低成本、缩短周期的前提下,为晶体管抗电离辐射可靠性评估提供合理的技术支撑和可借鉴的理论数据。

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InP/InGaP/GaAsSb/InGaAsSb/InP双异质结双极晶体管设计^*

刘涛, 刘燚, 王冯涛

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 184-190.

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应用半导体器件的电阻电容计算理论和SILVACO ATLAS软件,在综合考虑载流子渡越时间和电阻电容延迟时间对增益截止频率的影响下设计了一种InP/InGaP/GaAsSb/InGaAsSb/InP双异质结双极晶体管（DHBT）结构。该结构中在基区与发射区之间加入P型半导体层以降低基区与发射区之间的电子势垒,并通过引入梯度渐变材料及优化掺杂分布提高基区电场、增强集电区中易趋近于零区域的电场,器件的电流增益截止频率得到显著提升。此外,还列出了InGaP和InGaAsSb材料的禁带宽度和电子亲合势、P型GaAs_0.51Sb_0.49和InGaAsSb材料的电子迁移率的近似计算公式。

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4英寸f_max=620 GHz的0.25 μm InP DHBT

戴姜平, 常龙, 李征, 王学鹏, 林浩, 程伟

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 191-195.

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报道了一款在101.6 mm（4英寸）InP晶圆上制备的特征尺寸为0.25 μm的磷化铟双异质结双极型晶体管。采用发射极自对准技术和介质钝化工艺,器件的发射极典型尺寸为0.25 μm × 3.00 μm,最大电流增益为25,当发射极电流密度为10 μA/μm²时,器件的击穿电压达到了4.2 V,电流增益截止频率为390 GHz,最高振荡频率为620 GHz。建立了用于提取器件寄生参数的小信号等效电路模型,模型的仿真结果与高频实测数据具有很好的拟合精度。

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基于InP HBT工艺的C波段高谐波抑制有源三倍频器MMIC

姚露露, 刘尧, 潘晓枫, 程伟, 王学鹏

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 196-200.

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基于0.7 μm InP HBT工艺，设计了一款C 波段高谐波抑制有源三倍频器MMIC。三倍频核心电路采用AB 类差分级联三极管（cascode）结构，可产生丰富的奇次谐波信号，通过输出匹配网络滤出三次谐波信号并抑制其他谐波信号。输入端利用有源巴伦实现单端信号到差分信号的转换，提供较大的驱动功率同时节省面积；输出端级联缓冲放大器，提高输出功率。常温状态下，当输入驱动功率为-5 dBm时，该三倍频器在输出频率3.9~6.9 GHz范围内，输出功率大于10 dBm，偶次谐波抑制度大于33 dBc，基波抑制度大于35 dBc，五次谐波抑制度大于24 dBc。芯片供电方式为单电源+3.3 V供电，直流功耗为198 mW。

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小型化滤波放大器三维集成设计

王磊, 白锐, 魏少伟, 张韶华

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 201-206.

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针对滤波放大器中滤波器体积大、数量多的特点,提出了一种基于三维集成技术的小型化设计方法。该方法利用球栅阵列连接,实现多个基板的三维集成互联组装。将放大电路置于下层基板,滤波器置于中间层基板,上层基板作为滤波器的屏蔽层,通过焊球实现信号互通和电磁屏蔽隔离。该设计可缩小多个滤波器级联时电路布局尺寸,为实现高集成、小型化、多功能的滤波放大器产品提供了有效的解决方案。

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一种大电流DDR终端线性稳压器的设计^*

夏晓娟, 庄玉成, 易磊, 杨琨

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 207-213.

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设计了一款可吐纳3 A大电流的跟踪终端线性稳压器。该稳压器采用双电源供电,降低了芯片的功耗。内部误差放大器采用轨到轨输入结构设计,拓展了稳压器输入共模电压范围;同时采用跨导线性环电路结构和简单补偿电路结构的设计,使其在负载突变时提供快速的负载瞬态响应,减小输出过冲。输出级上下功率管采用NMOS推挽式输出,可提供1 A/2 A/3 A的大电流,极大提高了稳压器的带载能力。该稳压器能够满足DDRⅠ/Ⅱ/Ⅲ和低功耗DDRⅢ/Ⅳ总线终端对电源供应的要求。采用华虹0.35 μm工艺流片,在两个输入电压V_IN、V_LDOIN分别为5 V、2.5 V条件下进行测试,输出/吸收3 A负载电流时,输出稳定在1.25 V。

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一种超高速宽带运算放大器的设计

杨阳, 徐佳丽, 黄治华

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 214-219.

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介绍了一种采用高速双极工艺研制的超高速宽带运算放大器电路。运算放大器内部采用高速电流反馈结构进行信号传输和放大，通过带宽提升、电压/电流信号转换以及稳定性补偿等设计技术，获得了要求的速度和带宽。研究了高速宽带运放性能的影响因素，并结合高速双极工艺进行了电路仿真设计和流片制作。测试结果表明：在±5 V电源电压下，运算放大器的电源电流≤6 mA，-3 dB带宽≥500 MHz，转换速率≥1 500 V/μs。

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一种低功耗、高精度四象限模拟乘法器电路

施建磊, 孔祥艺, 章宇新, 韩前磊, 吴舒桐

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 220-224.

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基于双极工艺设计了一种低功耗、高精度四象限模拟乘法器,主要包括：带隙基准源、乘法器单元、运算放大器三个模块。带隙基准包含启动电路和核心带隙模块,带隙基准引入二阶高温补偿使得温漂系数仅为2.3×10^-6/℃。乘法器采用基本的吉尔伯特单元作为核心,加入射极反馈电阻提高线性度,实现电流相乘后通过输出运放转换成单端电压输出。运算放大器为标准的差分输入、单端输出,用于对信号的缓冲,增强驱动能力。整体芯片供电电压为±5 V,电压输入范围为-2.5~+2.5 V,典型条件下线性误差仅为0.015%,总谐波失真为0.023%,电源电流为18.89 mA,电源抑制比为88.26 dB。同时端口带有ESD保护结构,保证电路在运输和使用过程中不发生损坏。

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SOI器件的kink效应研究

王青松, 彭宏伟, 黄天, 杨正东, 朱少立, 徐大为

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 225-229.

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研究了SOI器件中的kink效应,主要包括不同器件类型、不同体接触结构、沟道长度以及栅氧厚度对kink效应的影响。研究发现NMOS器件由于能够产生较多的电子空穴对,在输出特性曲线中呈现明显的kink效应,而PMOS器件由于空穴的电离率较低,碰撞电离产生的电子-空穴对远低于NMOS器件,它的kink效应不明显。对源体短接、H型栅和T型栅三种不同结构的NMOS器件进行研究,发现T型栅器件kink效应最明显。比较了不同沟道长度对kink效应的影响,发现沟道越短,kink效应越明显。比较了栅氧厚度对kink效应的影响,发现随着栅氧厚度减小,kink效应越明显,这主要是由于隧穿电流引起的。

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分子束外延GaAs基M-HEMT与Si基HEMT材料研究

马奔, 沈逸凡, 王伟, 于海龙, 尹志军, 高汉超, 李忠辉

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 230-233.

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在GaAs基渐变缓冲层高迁移率晶体管（M-HEMT）器件中,二维电子气的输运性能对器件性能有决定性作用。系统研究了GaAs M-HEMT材料中不同In组分沟道和生长温度对沟道电子迁移率和薄层电子浓度的影响。结果表明,沟道In组分为0.65时,材料电学性能最好;提高生长温度能有效提高材料的迁移率。为了后续将Si CMOS技术与HEMT材料结合实现高集成度应用,将M-HEMT结构外延在硅衬底上并得到了初步的研究结果,室温下电子迁移率为3 300 cm²/（V·s）,薄层电子浓度为4.5×10¹² cm^-2。

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栅结构缺陷对GaN HEMT器件性能影响的研究

邵国键, 陈正廉, 林罡, 俞勇, 沈杰, 陈韬, 刘柱

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 234-238.

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GaN HEMT器件在使用中会发生突发烧毁的现象,这种失效与缺陷是正相关的,其中一种已知的缺陷为栅结构缺陷。通过直流特性测试、器件热分布、微区分析讨论了栅结构缺陷对器件性能的影响。势垒特性、击穿特性均无法表征出栅结构异常的器件,低漏压的转移特性也无明显差异,仅高漏压条件下的阈值电压能够表现出明显的变化,而且漏压越高阈值电压变化量越大。器件热分布图像能够定位出器件异常栅结构的位置,且高漏压比高电流更能够表征异常器件的缺陷位置。微区分析准确定位了异常栅结构缺陷的具体形貌和位置,为缺陷的工艺优化提供指导。

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4H-SiC深槽刻蚀及其形貌的改善^*

董志华, 刘辉, 曾春红, 张璇, 孙玉华, 崔奇, 程知群, 张宝顺

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 239-243.

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采用磁中性环路放电（NLD）等离子体刻蚀装置对4H-SiC进行深槽刻蚀。研究了偏置电源功率和反应腔室压强对深槽中微沟槽效应和侧壁粗糙度的影响。实验发现：提高偏置电源功率和腔室压强可以消除深槽中的微沟槽效应,并且提高腔室压强还可以改善深槽侧壁的粗糙度。分析了其中的刻蚀机理,实验结果和分析对研究SiC深槽刻蚀具有一定的指导意义。

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IGBT模块超声检测缺陷判据研究^*

李聪成, 王刚明, 牛利刚, 刘杰, 高俊开

固体电子学研究与进展. 2022, 42(3): 244-250.

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焊层缺陷是影响功率模块寿命和可靠性的主要因素之一,主要采用有限元仿真的研究方法,模拟了焊层缺陷位置、大小等因素对IGBT模块热性能的影响,得到不同的缺陷情况与模块热性能的对应关系并进行拟合,计算出焊层空洞大小临界值,提出了一种IGBT模块超声检测缺陷判据标准。芯片-基板焊层单个空洞率需≤2%,基板-底板焊层单个空洞率需≤2%,芯片-基板焊层整体空洞率与基板-底板焊层整体空洞率之和需≤10%。

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2022年, 第42卷, 第3期　刊出日期：2022-06-25

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