固体电子学研究与进展

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比导通电阻2.3 mΩ·cm²的650 V,200 A碳化硅功率MOSFET器件^*

李飞飞, 陈谷然, 应贤炜, 黄润华, 栗锐, 柏松, 杨勇

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 341-346.

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针对电动汽车、光伏、储能等战略性新兴产业对高可靠高效率碳化硅功率MOSFET器件的需求,开展了650 V碳化硅外延结构、芯片JFET区尺寸和掺杂等关键技术研究,研制出比导通电阻2.3 mΩ·cm²的650 V、200 A碳化硅MOSFET。器件在漏极电压900 V时,漏源漏电流小于1 μA;在环境温度150 ℃、栅极偏置电压22 V的应力条件下,经过1 000 h的高温栅偏可靠性试验,阈值电压正向漂移量小于0.3 V,显示出良好的稳定性。

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一种具有低EMI噪声的低阻空穴路径IGBT^*

成建兵, 刘立强, 周嘉诚, 吴家旭, 李瑛楠

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 347-351.

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为了解决浮空P区IGBT器件在小电流开启时存在较大EMI噪声的问题,提出了一种低阻空穴路径结构的IGBT。新结构在浮空P区中引入P⁺层以形成高低结,在开启过程中,较低电势的P⁺层加强了浮空P区空穴沿空穴路径地流出,呈现出低阻空穴路径,从而降低位移电流对栅极地充电,使得器件有较低的EMI噪声。仿真结果表明,在相同的开启功耗下,该结构相对于普通空穴路径的IGBT结构,能够明显降低器件的dI_C/dt的最大值,抑制了器件的EMI噪声。

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基于埋层结构的高压功率MOS器件终端设计^*

宋迎新, 马捷, 侯杰, 孙德福, 刘进松, 李泽宏, 任敏

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 352-356.

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为改善传统结终端延伸（JTE）结构的终端注入剂量偏低、终端对表面固定电荷敏感、终端尺寸优化不够等缺陷,设计了一种基于场板（FP）与埋层（BL）的新型终端结构,用于降低表面固定电荷对击穿电压的影响,并且通过提高JTE区域的掺杂剂量,同时优化表面电场,实现了终端电场更加均衡,提高了击穿电压及减少结终端尺寸。利用仿真软件对提出的新型终端结构进行仿真,对新结构的电场分布、击穿电流电压曲线、击穿电压随终端JTE区注入剂量变化和击穿电压随表面固定电荷Q_f变化四个方面进行分析,结果表明：相比传统JTE终端,本文设计的新型终端尺寸缩短16%,耐压提升约20%,同时可靠性也有所提升。

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AlGaAs/GaAs PIN超宽带微波毫米波单刀三掷开关

章军云, 齐志央, 凌志健, 尹志军, 王溯源, 李信, 王学鹏, 陈堂胜

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 357-362.

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研制了基于异质结AlGaAs/GaAs PIN二极管的超宽带微波毫米波开关单片。通过异质结外延材料结构的设计和MOCVD生长技术、高台面PIN开关电路制备工艺技术、超宽带模型管S参数测试与电路设计,制作了一款0.05~50 GHz的超宽带PIN单刀三掷开关。测试结果表明：该微波毫米波开关在0.05~18 GHz频带内插入损耗为0.5~0.75 dB,隔离度大于41 dB;18~50 GHz频带内插入损耗为0.75~1.2 dB,隔离度大于27 dB;具有低插入损耗和高隔离度的开关切换特性。

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一种应用于24 GHz毫米波雷达系统的低功耗中频信号处理电路^*

冯凯, 石春琦, 张旭, 陈光胜, 张润曦

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 363-370.

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介绍了一款应用于24 GHz双模式毫米波汽车雷达收发机系统的中频信号处理电路,包括模拟基带和Sigma-Delta调制器两部分。模拟基带中通过两个Tow-Thomas二阶节级联构成低通滤波器对中频信号进行滤波和放大,同时集成电流注入式直流失调消除电路对中频信号输入时存在的DC偏差进行消除。Sigma-Delta调制器将基带处理后的中频信号量化为一位数字码流。该调制器采用单环前馈式1 bit量化结构,四级积分器由Active-RC滤波器实现,并且引入本地反馈电阻提升带内噪声整形效果,为节省功耗,同时采用前馈结构、无源求和电路和动态式比较器。基于55 nm CMOS工艺设计制作整体雷达收发机系统芯片,并对本文的中频信号处理电路进行测试,测试结果表明：该电路功耗为13 mW,增益范围覆盖0~60 dB,3 dB带宽大于160 kHz,且采样时钟频率为40 MHz时,在8 kHz输入条件下可获得67.5 dB的无杂散动态范围,在160 kHz输入条件下可获得63.9 dB的无杂散动态范围。

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基于人工表面等离子体激元的超宽带带通滤波器^*

张胜, 王宁宁, 宋建宇, 黄若琳, 王俊, 唐守峰

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 371-375.

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人工表面等离子体激元（Spoof surface plasmon polaritons,SSPPs）具有低损耗、高束缚、高传输效率的特点,被广泛应用于微波器件设计。提出了一种新型SSPPs单元,与传统单元相比具有更多的可调节参数。以此为基础设计了一款基于SSPPs的低通滤波器,该低通滤波器与具有高通特性的短路枝节相级联,最终设计实现了一款超宽带带通滤波器。这款超宽带带通滤波器高、低截止频率可单独调节,具有结构简单、小型化等特点。实测结果显示该滤波器-3 dB通带范围为3~13 GHz,带宽达到了125%,同时其回波损耗优于-13 dB。

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金属柜环境中的均匀场分布赋形阵列天线^*

夏志坚, 蔡潇, 文舸一

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 376-381.

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针对近年来零售行业对标签识别自动化需求的增加和对标签读取准确度要求的提升,提出了一种可用于零售金属柜中的八单元近场射频识别阵列天线,实现目标识别范围内的均匀电场分布。为获得所需均匀近场电场分布的激励分布,通过在目标读写区引入多个测试接收天线,采用了最大功率传输效率法来获得最优激励分布,并通过设计馈电网络予以实现。天线的中心频率为922.5 MHz,天线系统主要由辐射部分和馈电部分组成,分别置于两个基板的顶部与底部。所设计的天线经过实验测试证明可以在金属柜环境中实现目标读写区域的均匀电场分布,波动范围不超过3 dB。

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基于硅基板专用TAP控制器的Chiplet测试电路^*

蔡志匡, 周国鹏, 宋健, 王子轩, 肖建, 郭宇锋

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 382-387.

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针对2.5D Chiplet中芯粒键合后的测试需求,在传统2D集成电路测试方法基础上,提出了一种基于硅基板专用测试访问端口（Test access port,TAP）控制器的Chiplet测试电路,该电路包括硅基板专用TAP控制器、硅基板测试接口电路和芯粒测试输出控制电路。其中,硅基板专用TAP控制器在传统TAP控制器的基础上增加了一个自定义的测试数据寄存器及对应指令,其输出控制信号可以灵活选择单个或多个芯粒进行测试。仿真结果表明,提出的测试电路可以解决2.5D Chiplet键合后测试控制问题,其并行测试大大缩短了测试时间,并且外部测试端口数量仅为5个。

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宽电源范围的高精度振荡器设计技术研究^*

郭仲杰, 杨佳乐, 韩晓, 白若楷, 石昊

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 388-392.

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为解决CMOS振荡器频率稳定性差的问题,提出一种基于阈值电压的高精度宽电源范围振荡器电路结构。利用与电源无关的恒流源和MOS管开通关断对电容进行充放电,产生占空比50%的时钟信号,设计熔丝电阻控制可修调电流镜电路实现工艺修调。基于0.25 μm BCD工艺,对提出的方法进行了具体电路设计与物理实现验证,结果表明：在电源电压3 V典型情况下,时钟信号中心频率为36.5 kHz,工艺修调范围为54.14%~219.18%,修调精度为-0.82%~+2.53%。电源电压2~4 V变化范围内,频率变化系数为0.97%/V;电源电压1.8~5.8 V变化范围内,频率变化系数为2.47%/V;电源电压在1.8~12 V范围内,频率变化系数为1%/V,具有较宽的电源适应特性。

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一种新型阻变存储器1T2R存储单元

许永康, 鲍嘉明, 陈瑞隆, 戴澜

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 393-399.

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提出了一种新型阻变存储器（RRAM）1T2R结构,该结构利用一个大尺寸晶体管驱动两个忆阻器,弥补了工艺节点缩小带来的晶体管驱动能力不足的缺点。针对RRAM 1T2R结构中固有的串扰路径问题,专门设计的读方法可以截断串扰路径,抑制串扰电流,使得一个1T2R存储单元可以有效存储2 bit信息,提高RRAM的存储密度。同时,还可以通过直接读取BL上的电流对同一个存储单元内的2 bit信息做OR/NOR以及AND/NAND逻辑运算。本结构已利用UMC 28 nm工艺流片验证,流片结果为每个RRAM器件占有的平均面积为0.035 5 μm²,测试结果表明,本结构可以在读过程中有效抑制串扰电流,得到大的开关比,避免对高阻态RRAM的误读。

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基于复眼微结构的柔性压力传感器制备及测试^*

胡瑞明

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 400-404.

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对柔性压力传感器进行了设计和研究,总体采用三明治式结构,介质层选择了复眼微结构的设计方式,电极层则需要在改性后的PDMS表面溅射一层金属银。将制备的三层结构通过键合的方式组成响应速度和灵敏度均较高的传感器。该传感器的测试结果为：当传感器表面压力一定时,复眼结构的电容式压力传感器的灵敏度达到了0.28 kPa^-1,响应时间和恢复时间分别为58 ms和43 ms,迟滞性参数均小于7%,经过12 000次的撞击实验,传感器仍然能保持稳定的输出。制备的传感器具有较强的响应特性、良好的恢复性和稳定性,能够适应柔性可穿戴电子器件的应用需求。

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静电微执行器拓宽行程范围技术的研究进展^*

费宏欣, 方玉明, 吴旭鹏, 蔡滕, 赵江, 李若舟

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 405-411.

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Pull-in失稳现象是MEMS/NEMS微执行器中的一种常见现象,容易引起执行器件产生电流击穿,直接影响到器件的稳定性和寿命。需要根据不同的应用场合避免或利用该效应。针对Pull-in失稳现象,研究了失稳机理,从拓宽和调整其行程范围的角度,综述了各种抑制和控制Pull-in失稳现象的方法。总结对比了各种方法的原理、从相关技术角度讨论各方法优缺点,其中涉及工艺技术有MUMPS工艺、BiCMOS工艺和LPCVD工艺,这三种技术在向着低成本、高性能、高产量等方向更新工艺标准。未来拓宽微执行器稳定行程范围方法主要在电路设计、优化结构,且向着可行性、可靠性方向发展。

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碳化硅功率MOSFET的阈值和开关响应的辐射损伤对比^*

冯皓楠, 杨圣, 梁晓雯, 孙静, 张丹, 蒲晓娟, 余学峰

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 412-416.

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对不同偏置下碳化硅VDMOS在总剂量辐射环境中的动态和静态特性进行了研究。比较了三种偏置状态下⁶⁰Coγ射线辐照对于SiC VDMOS器件静态参数（阈值电压）和动态参数（开关响应）的影响。实验结果表明,在经历一定时间的⁶⁰Coγ射线辐照过后,器件的各项静态参数发生了不同程度的退化,同时器件的开启延迟略微缩短,关断延迟骤增,总开关损耗增大。γ射线辐照导致器件静态特性退化的同时其动态特性也在改变,但两者退化规律具有一定的差异性。

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强迫风冷环境下SiP模块的结温预测方法研究^*

王熙文, 裴晓芳, 孙廷孝, 沈仕奇, 张琦

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 417-421.

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为研究强迫风冷环境下不同风速对系统级封装（System in package,SiP）模块内各芯片的自热热阻和耦合热阻的影响,提出了一种基于热阻矩阵的强迫风冷环境下SiP模块结温预测方法,通过有限元仿真对预测结果进行了验证,结果表明预测结温和仿真结温的相对误差小于2%,该方法可准确快速地预测不同风速、功率条件下SiP内部芯片的结温。

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TPS61322集成式升压DC-DC电源变换器的总剂量效应研究^*

徐锐, 周东, 刘炳凯, 李豫东, 王信, 刘海涛, 文林, 郭旗

固体电子学研究与进展. 2022, 42(5): 422-428.

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对低功率、升压型集成式DC-DC电源变换器的电离总剂量辐射损伤效应进行了研究。探讨了变换器在不同负载、不同输入电压条件下输出电压随总剂量的变化关系;揭示了升压型器件在高剂量率条件下输出电压瞬间损伤退化机理;分析了器件在关机模式（Shutdown mode）条件下关机电流变化规律。详细研究了负载电流对输出电压的影响,实验结果表明,相同辐照剂量,输出电压的退化程度随负载电流的增加而增大,满载条件下,输出电压退化最严重。关机电流在关机模式条件下出现显著退化,可以作为评估器件抗辐射性能的敏感参数。此外,发现Boost器件满载条件下高剂量率损伤效应,高剂量率条件下的输出电压瞬间损伤退化显著大于低剂量率下的输出电压退化。研究剂量率辐射效应对分析和评估应用于核电站环境下的DC-DC电源变换器辐射损伤具有重要意义。

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