固体电子学研究与进展

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孔令峥, 彭龙新, 陶洪琪, 张亦斌, 闫俊达, 王维波, 韩方彬

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 429-434.

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研制了一款Ku波段GaN收发多功能芯片。芯片集成了接收通道的低噪声放大器和发射通道的功率放大器,使用单刀双掷开关实现通道间切换。该芯片采用两种不同栅长集成的GaN HEMT工艺。低噪声放大器使用0.10 μm低压低噪声工艺,功率放大器和开关使用0.15 μm高压高功率工艺。低噪声放大器采用电流复用结构以降低功耗,功率放大器采用三级电抗式匹配网络以提高芯片输出功率。测试结果表明,在14~18 GHz频带内,发射通道线性增益≥30 dB,饱和输出功率≥40.5 dBm,功率附加效率典型值为23%;接收通道线性增益为24 dB（±0.2 dB）,噪声系数典型值为2.3 dB,功耗仅为140 mW（5 V/28 mA）。芯片面积为4.0 mm×3.0 mm。

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电力系统用高电压快速恢复二极管坚固性优化

和峰, 刘钺杨, 刘江, 李翠, 王耀华, 晁武杰, 金锐, 魏晓光

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 435-440.

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高压快恢复二极管芯片过渡区是反向恢复坚固性的薄弱点,一旦失效将影响电力装置稳定运行。提出了一种高阻型过渡区优化结构,通过建立三种模拟模型,研究了过渡区宽度和掺杂浓度对快恢复二极管反向恢复性能的影响。采用高阻型过渡区结构的快恢复二极管反向恢复安全工作区仿真极限值提高到电压为2 900 V、电流为630 A、电流变化率为1 600 A/μs。基于该设计制备的3 300 V/1 500 A FRD器件可通过电压为3 200 V、电流为3 000 A、电流变化率为8 648 A/μs条件下的反向恢复测试,显著提高了FRD器件的反向恢复坚固性。

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新型锗源环栅线隧穿晶体管结构设计及优化^*

糜昊, 马鑫, 苗渊浩, 芦宾

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 441-448.

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设计了一种锗源环栅线隧穿晶体管（GAA-LTFET）,并采用TCAD工具对其工作原理进行了分析,通过双栅功函数技术抑制寄生点隧穿机制,消除了转移电流曲线上的驼峰现象,提高器件特性。此外,还针对源区掺杂浓度和沟道厚度等关键参数进行了分析和优化,最终器件平均亚阈值摆幅可达33.4 mV/dec,开态电流可达0.64 μA/μm,开关比值约为9×10⁸,该器件的优异特性有望促进后摩尔时代超低功耗技术的发展。

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背栅偏置对掩埋氧化层辐射感生陷阱电荷调控规律及机理^*

王海洋, 郑齐文, 崔江维, 李豫东, 郭旗

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 449-455.

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研究了辐照过程中施加背栅偏置对掩埋氧化层（BOX）辐射感生陷阱电荷的调控规律及机理。测试了130 nm 部分耗尽绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管在不同背栅偏置条件下辐射损伤规律,试验结果显示辐照过程中施加正向背栅偏置可以显著增强辐射陷阱电荷产生,而施加负向背栅偏置并不能明显抑制氧化物陷阱电荷的产生,甚至在进一步提高负向偏置时会使氧化物陷阱电荷的数量上升。通过TCAD器件模拟仿真研究了背栅调控机理,研究结果表明：尽管负向背栅偏置可使辐射感生陷阱电荷远离沟道界面,但随着BOX层厚度减薄该区域电荷仍可导致器件电参数退化,且提高负向偏置电压可进一步增强陷阱电荷产生,加剧辐射损伤。

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碟形天线耦合的CVD石墨烯室温太赫兹探测器

魏仲夏, 吴云, 曹正义, 陶然, 李忠辉

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 456-460.

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基于本征高迁移率、无能隙光谱以及非特征频率吸收的特性,石墨烯在太赫兹频段的调制器和探测器应用被予以厚望。制备了碟形天线耦合的CVD石墨烯场效应晶体管太赫兹探测器,实现了室温的高灵敏太赫兹探测。采用Au膜辅助转移技术屏蔽了有机物对石墨烯的沾污,配合自对准工艺控制了栅源间寄生效应,石墨烯器件场效应迁移率达7 000 cm²/（V·s）,且在室温下表现出较高的太赫兹探测灵敏度, 0.3 THz频率下器件的电压响应率为50 V/W,噪声等效功率为58 pW/Hz^0.5。

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一种高线性宽带功率合成的射频功率放大器^*

汤委龙, 张志浩, 章国豪, 彭林, 陈思弟

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 461-466.

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针对5G通信微基站,提出一种基于GaAs异质结双极晶体管（HBT）工艺,芯片面积为1.3 mm×1.4 mm的高线性宽带宽的射频功率放大器。该放大器采用了异相功率合成方式和J类输出匹配的方法,在两路功率放大器的输入输出端引入了90°相移以及J类模式确定最佳负载阻抗,以此实现高线性宽带宽的特性。在5 V电源和2.85 V偏置电压下,室温条件下测试结果表明,该功率放大器在2~3 GHz频带内,小信号增益为36±0.5 dB。然而在2.4~2.8 GHz频带内,该功率合成结构的功率放大器拥有饱和输出功率大于36 dBm,功率附加效率大于38%。在5G-NR,带宽100 MHz和4G-LTE、带宽20 MHz的调制信号下,在2.4~2.8 GHz工作频带测试,放大器的输出功率为22 dBm,邻近信道功率比（ACPR）约为-43 dBc。

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大动态高速响应数字AGC功能电路的实现

原庆, 刘希淼, 梁雪明

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 467-472.

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为了提高接收机系统的动态范围和抗干扰能力,改善ADC电路的工作性能,设计了一款多功能、高性能、反馈式数字AGC电路。以大动态高线性对数检波器和高精度数控衰减器为核心射频电路,以MCU、ADC、ASIC为核心控制电路,由RS485接口电路实现AGC电路与上位机的通信功能,并通过仿真优化了数字AGC软件算法。测试结果表明,该数字AGC电路具有初始态满衰减保护功能、两种工作状态的控制功能、与上位机的双向通信功能,并且工作参数可以灵活设置。在-55~+85 ℃温度范围,100 MHz~1 GHz的工作频率下,该数字AGC电路对单音信号的动态响应范围为62 dB,输出功率稳定度为±1.5 dB@-38.5 dBm,最快响应时间为22.6 μs。

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基于慢波特性扇形SIW的可调带通滤波器^*

佘金川, 陈耀忠, 王凯, 李正雄, 张胜, 仝梦寒

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 473-478.

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提出了一种具有慢波特性的扇形基片集成波导谐振腔,设计了一款小型化双频带通滤波器,相较于传统SIW带通滤波器,该滤波器小型化率为64%。通过引入金属盲孔结构实现了滤波器双频带中心频率的调节,同时,采用源负载耦合结构,在带外产生了4个传输零点,实现了滤波器的高选择特性。测试结果表明,滤波器的双通带中心频率分别为4.86 GHz和6.81 GHz,3 dB带宽分别为238 MHz和212 MHz,双频带插入损耗分别优于0.9 dB和1.1 dB,与仿真结果基本一致。

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SiP模块键合线疲劳寿命预测及可靠性分析^*

孙廷孝, 巫君杰, 王熙文, 沈仕奇, 朱旻琦

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 479-483.

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针对SiP中键合线易疲劳失效问题,为提高键合线模块可靠性,展开疲劳寿命预测研究。梳理了键合线的常见失效机理和温循实验中瞬态热力耦合原理;对整体模块进行对称简化建立有限元模型,并对单根键合线进行参数化建模,在相同的温度循环载荷下,对比研究了键合线的直径、拱高、一二焊点的水平和垂直间距四种结构参数的等效应力、塑性应变幅值;建立了键合线模块的疲劳寿命模型,揭示了键合线结构参数对可靠性的影响。结果表明,键合线易失效点集中在焊点颈部和足底部分;在一定范围内,减小键合线的直径、减小一二焊点间水平和垂直间距、增加键合线的拱高,可提高键合线结构的可靠性,延长疲劳寿命。

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基于级间电容抵消技术的74~88 GHz高性能CMOS LNA设计^*

康志谋, 邹林峰, 蒋欣怡, 石春琦, 张润曦

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 484-491.

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采用55 nm CMOS工艺,面向毫米波雷达应用,设计了一款74~88 GHz高性能CMOS低噪声放大器（LNA）。该LNA应用共源共栅结构,为了改善噪声系数、提高稳定性增益,采用级间寄生电容抵消的电感反馈共栅短接技术和基于反相双圈耦合的等效跨导增强技术。和传统共栅短接技术相比,级间寄生电容抵消的电感反馈共栅短接技术改善噪声系数1.58 dB,提高稳定性增益7.67 dB。芯片测试结果表明,LNA峰值增益为17.1 dB,最小噪声系数为6.3 dB,3 dB带宽为14 GHz （74.8~88.8 GHz）,在78 GHz中心频率处输入1 dB压缩点（IP_1dB）为-10.2 dBm,功耗为102 mW。

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基于优化正弦幅度相位相减法的并行高速ASIC数控振荡器设计^*

任凤霞, 卓琳, 李琨, 邵杰, 万书芹

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 492-497.

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设计了最高采样率为1 GHz的ASIC数控振荡器电路。采用优化的正弦幅度相位相减法实现相位幅值转换功能。应用MATLAB对数控振荡器输出的数据进行定点误差分析和频谱分析,设计的数控振荡器输出的正频率信号和负频率信号功能通过分析正交混频结果间接证明。根据MATLAB分析结果设计电路,并应用并行结构实现电路结构。最终设计的数控振荡器模块应用于ADC电路。基于65 nm CMOS工艺流片后,实际测试结果表明,所设计的模块能够满足输出正频率、负频率、输出最小频率间隔为0.244 14 MHz,系统精度小于l LSB和最高采样率1 GHz的设计要求。

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用于5G移动终端N77频段的低噪声放大器设计

陈亮, 高洁, 李亚军, 屠德成

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 498-504.

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设计了一款用于5G移动通信N77频段（3.3~4.2 GHz）的低噪声放大器。该低噪声放大器采用65 nm绝缘体上硅（Silicon on insulator, SOI）工艺实现。电路结构中采用放大通路切换、反馈切换等多种模式相结合的方式实现了6档增益可调,相比于仅使用放大器串联衰减器的方式,可以实现功耗、增益、线性度等性能的最优组合。低噪声放大器工作电压为1.2 V,芯片尺寸为0.84 mm×0.84 mm,增益范围覆盖-11~20 dB,芯片的工作状态采用移动产业处理器接口控制,在最高增益档时噪声系数在0.90~1.05 dB之间,单通道工作时功耗最大为15.6 mW。

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基于碳掺杂InGaAs材料的InP DHBT分子束外延生长研究

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(6): 505-509.

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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,研究基于碳掺杂InGaAs材料的InP 双异质结双极晶体管（DHBT）分子束外延生长工艺。通过In原子补偿工艺,补偿基区InGaAs材料中被CBr₄刻蚀的In原子,调整In组分使InGaAs-C外延层与InP衬底晶格匹配。通过界面层Ⅴ族元素切换工艺,减少InP/InGaAs界面层四元合金材料的形成,避免四元合金界面对后续湿法工艺的影响,降低材料表面粗糙度。利用优化后的材料外延工艺,得到表面颗粒密度为15/cm²,基区InGaAs-C材料P型掺杂浓度为5.25×10¹⁹ cm^-3,方阻非均匀性为0.5%的InP基DHBT完整结构材料,利用0.7 µm InP DHBT工艺平台,得到增益为41、击穿电压为4 V、截止频率为341 GHz、最大震荡频率为333 GHz的InP基DHBT器件。

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少层氮化硼的生长机理及技术研究

李传皓, 李忠辉, 彭大青, 张东国, 杨乾坤, 潘传奇, 沈睿

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 510-514.

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采用MOCVD技术在50.8 mm（2英寸）蓝宝石衬底上开展氮化硼（BN）材料的外延生长研究。基于Ⅴ/Ⅲ族源的同时输运工艺,探究了无序岛状、生长自终止及二维层状等三种BN生长模式的外延机理,并实现了5-6层原子厚的二维BN材料的制备。同时,提出了一种Ⅴ/Ⅲ族源的同时输运及分时输运相结合的外延生长工艺,显著提升了二维BN材料质量,其中1 μm×1 μm表面粗糙度R_a为0.10 nm,光学带隙宽度为5.77 eV,拉曼E_2g模式的半高宽为60.7 cm^-1。

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交叉深沟槽硅外延的生长研究

倪立华, 范晓, 王函, 张召, 李佳龙

固体电子学研究与进展. 2022, 42(6): 515-520.

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随着先进半导体器件需求的不断提升,深沟槽硅外延已逐渐代替传统离子注入工艺成为器件开发的新方向,由于受晶向的影响,硅外延生长质量存在极大差异。通过<100>和<110>两种晶向硅片在交叉深沟槽中的外延生长,采用SEM和TEM分析了硅外延生长形貌和质量,运用TCAD模拟验证该结构下的外延生长机理,同时采用暗场扫描（DFI）和表面刻蚀方法检测硅片表面缺陷。结果表明硅晶向对交叉深沟槽外延的生长质量有重要影响,<100>硅片在交叉区域外延形成的{110}面和{111}面多,容易产生位错缺陷,而<110>硅片相比<100>硅片转向了45°,外延中形成的{110}面和{111}面减少了一半,从而外延质量改善明显。

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2022年, 第42卷, 第6期　刊出日期：2022-12-25

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