2023年, 第43卷, 第1期　刊出日期：2023-02-28

  

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科学基金
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  2022年半导体科学与信息器件学科项目受理与资助情况

  唐华

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 1-10.

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  首先概述了2022年国家自然科学基金的重要改革举措；其次分析了本年度信息四处“半导体科学与信息器件”领域项目的申请、受理和资助情况，以及涉及面最广的面上和青年项目申请与资助的依托单位分布情况，并就申请项目的四类科学问题属性展开统计分析；然后围绕“负责任、讲信誉、计贡献”（RCC）评审机制改革工作在信息四处的试点情况展开了分析与探讨；最后，面向项目申请人和评审专家分别给出建议，并对“半导体科学与信息器件”领域优先发展方向进行了展望。
宽禁带半导体
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  1 400 V/240 mΩ增强型硅基p⁃GaN栅结构AlGaN/GaN HEMT器件

  潘传奇

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 11-15.

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  基于硅基p-GaN/AlGaN/GaN异质结材料结构，研制了一款横向结构的高压增强型GaN高电子迁移率晶体管（GaN HEMT）器件。通过采用自对准栅刻蚀与损伤修复技术以及低温无金欧姆合金工艺实现了较低的导通电阻，并借助于叠层介质钝化和多场板峰值抑制技术提升了器件的击穿特性。测试结果表明，所研制GaN器件的阈值电压为1.95 V（V_GS=V_DS，I_DS=0.01 mA/mm），导通电阻为240 mΩ（V_GS=6 V，V_DS=0.5 V），击穿电压高于1 400 V（V_GS=0 V，I_DS=1 μA/mm），彰显了硅基p-GaN栅结构AlGaN/GaN HEMT器件在1 200 V等级高压应用领域的潜力。
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  星载高可靠性Ku波段GaN功率放大器芯片

  肖玮

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 16-20.

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  基于星载高可靠性的应用背景，采用0.20 μm GaN HEMT工艺研制了一款12 V工作电压的Ku频段功率放大器芯片。利用电热结合的分析方法，确定了管芯结构及工作电压。基于Load-pull测试获得GaN HEMT管芯的最佳输出功率和最佳效率阻抗，设计了一种带谐波匹配的高效率输出匹配电路，并通过引入有耗匹配，研制出了低压稳定的级间匹配电路。芯片面积为2.8 mm×2.6 mm，管芯漏极动态电压仿真峰值低于30 V，实测结温小于80 ℃，满足宇航Ⅰ级降额要求。功率放大器在17.5~18.0 GHz、漏压12 V（连续波）条件下，典型饱和输出功率2.5 W，附加效率38%，功率增益大于20 dB，线性增益大于27 dB，满足星载高效率要求。
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  一体化匹配网络的Q波段Doherty功率放大器MMIC设计

  彭晨睿

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 21-26.

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  提出了一种毫米波Doherty放大器一体化匹配网络的设计方法。该匹配网络将功率合成、阻抗变换和相位调节功能一体化，结合兰格耦合器，去除了传统Doherty功放结构中输出和输入四分之一波长线。采用0.15 μm GaN工艺研制了一款Doherty放大器MMIC。连续波测试条件下，此放大器在38~42 GHz频段内，饱和功率达到40 dBm，饱和大于24%，6 dB输出功率回退达到16%。在中心频率40 GHz、20 MHz双音间隔测试条件下，输出功率回退3 dB时，放大器的三阶交调失真3小于-21 dBc。
射频微波与太赫兹
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  固定指向型微波辐射计辐射传输模型分析

  郑晓萌

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 27-33.

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  固定指向型微波辐射计通常采用多支路法进行定标，传输路径上的各微波组件存在一定的插入损耗，且组件间还存在阻抗失配，因此需要首先建立信号源经馈源口面至接收机输入端口处的辐射传输模型，然后结合两点定标法确定固定指向型微波辐射计的定标模型。首先对同类型微波辐射计的辐射传输模型进行叙述，然后采用正交试验设计法定量地分析了辐射传输模型中各组件对接收机等效输入噪声温度误差影响的大小以及主次关系，为同类型微波辐射计的辐射传输模型建立和定标模型初始参数的选取提供参考。
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  一种超宽带、高线性度正交调制器

  吴舒桐

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 34-39.

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  基于SiGe工艺设计了一款超宽带、高线性度的正交调制器电路，主要包含本振移相模块、混频器模块和输出模块。其中本振正交信号产生电路采用RC多相滤波器结构，在超宽带下生成正交信号，并采用限幅放大器对信号的幅度和相位进行校准；混频器采用Gilbert双平衡混频器电路结构，并使用电阻负反馈结构和电感峰化技术，可满足超宽带、高线性度、高镜像抑制的设计要求；输出模块采用有源巴伦实现差分转单端功能。芯片供电电压为5 V，工作频率范围为50 MHz~6 GHz，输出1 dB压缩点最高可达到14.7 dBm@2 GHz，边带抑制为-60 dBc，载波泄露为-44.8 dBm，噪底可低至-166 dBm/Hz。可广泛应用于各类接收机和通信系统中。
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  漏电低软度大的4 500 V FRD 设计

  高东岳

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 40-45.

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  为了满足4 500 V 快恢复二极管（Fast recovery diode， FRD）反向偏置漏电低、反向恢复软度大的应用要求，介绍了一种新的FRD设计方法。该设计通过优化阳极掺杂，采用轻离子辐照和电子辐照相结合的寿命控制方式来增加FRD的反向恢复软度，降低FRD的元胞漏电流，并通过台阶形场板保护环结构来降低保护环的漏电流。采用203.2 mm（8英寸）平面栅加工工艺制作芯片并封装成4 500 V/3 000 A FRD模块，模块在高温125 ℃下的正向压降为3.1 V，反向偏置漏电流为10 mA，反向恢复能量为5 300 mJ，反向恢复软度为1.24，反向恢复电流下降速度为6 000 A/μs时，承受的极限功率可达8 MW。
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  应用于北斗L、S频点的新型双频滤波器设计

  马振洋

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 46-50.

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  提出了一种应用于北斗短报文波段（即L和S频点）的背靠背E形双频滤波器设计。该滤波器由两对公共馈电的背靠背E形谐振器并联组成，上方为背靠背E形的微带阶跃阻抗谐振器，下方为背靠背E形的缺陷阶跃阻抗谐振器。通过等效阻抗分析、表面电流仿真、参数优化得到滤波器的结构，滤波器尺寸为34 mm×21 mm×0.762 mm。实测结果表明，该滤波器的两个中心频点分别为1.62 GHz和2.53 GHz，相对带宽分别为8%和3%，带内插入损耗均小于2.2 dB，回波损耗均大于11.8 dB，相邻通带间的隔离度大于15 dB。测试结果与仿真结果基本吻合。
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  一种基于人工表面等离子体激元的小型化低剖面天线

  张胜

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 51-56.

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  针对高度集成化移动设备对贴片天线小型化与低剖面的需求，提出了一款基于人工表面等离子体激元（SSPPs）的小型化高效率低剖面端射天线，通过在传统孔型单元中引入叉指分支，可有效减小SSPPs传输线的宽度，从而实现天线小型化。该设计结合SSPPs传输线非对称结构和导向枝节结构，实现了天线的端射，并兼具单层低剖属性。实测结果表明，该天线的工作带宽为8.68~9.25 GHz，且在整个工作带宽范围内天线的平均增益和辐射效率分别达到10.05 dB和91.5%。
光电子学
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  梯度掺杂提升无空穴传输层CsSnI₃电池性能研究

  张西丽 王建峰 李银 曹丹

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 57-63.

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  为了探索高效无毒的钙钛矿太阳能电池，以太阳能电池模拟软件SCAPS-1D为工具，研究基于梯度掺杂CsSnI₃吸收层的无空穴传输层太阳能电池。首先研究均匀CsSnI₃吸收层的电池，在其基础上提出梯度掺杂吸收层的电池，并对吸收层掺杂梯度、平均掺杂浓度和缺陷水平进行分析和优化，最后研究了吸收层子层数的影响。研究发现梯度掺杂能够产生附加电场，可以显著提升电池转换效率。对于吸收层厚度为1 000 nm的电池，通过梯度掺杂优化可以将最大转换效率从22.28%提升到25.04%。即使梯度掺杂的子层数只有两层，也能取得理想的提升效果。
硅微电子学
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  基于FCM的芯粒测试电路设计与实现

  蔡志匡

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 64-69.

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  设计了一种改进的2.5D芯粒可测性电路，电路的核心是位于中介层的灵活可配置模块（Flexible configurable modules，FCM），该模块基于IEEE 1838标准提出的灵活并行端口设计，采用双路斜对称设计结构，水平方向的两条线路可同时向左和向右传输控制信号以及测试数据，彼此独立互不干扰。与IEEE 1838灵活并行端口相比，FCM可以简化扫描测试配置步骤，满足水平双线路传输场景需求。仿真结果表明，基于FCM设计的2.5D芯粒测试电路可以实现对原有可测性设计（Design for test，DFT）测试逻辑的复用，满足芯粒即插即用的策略，提升测试的灵活性和可控性。
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  一种针对栅栏同步的GPGPU微架构优化设计

  贾世伟

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 70-77.

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  为了降低通用图形处理器（GPGPU）中栅栏同步开销对程序性能产生的不良影响，提出了一种GPGPU微架构优化设计。该设计在线程束调度模块中，根据栅栏同步开销决定各线程束的调度顺序，确保高栅栏同步开销的线程束能够优先调度执行。在一级数据缓存模块中，结合数据缓存缺失率与栅栏同步状态来共同决定各访存请求是否需要执行旁路操作，由此在不损害数据局域性开发的前提下，降低数据缓存阻塞周期对栅栏同步产生的影响。两种子模块优化设计均能够降低栅栏同步开销。实验结果表明，相比基准GPGPU架构与当前现有的栅栏同步优化策略，本设计在栅栏同步密集类程序中分别带来了4.15%、4.13%与2.62%的每周期指令数提升，证明了优化设计的有效性与实用性。
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  适用于低压EEPROM编程的双电荷泵电路系统设计

  李珂

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 78-82.

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  设计了一款应用于低电源电压EEPROM的双电荷泵电路结构，提供存储单元编程所需的高压。基于传统Dickson结构，设计主次两级电荷泵结构：次级电荷泵为两级升压结构，输出电压可增强时钟的驱动能力、抬高其高电平；主级电荷泵采用传输管栅压提升的结构及驱动能力增强的时钟对内部电容进行充放电，提高主级电荷泵每级的传输能力及整体电路的工作效率，最终实现低电源电压下产生高压的目的。同时，通过使能时序控制稳压系统电路，保证了输出电压的稳定性。仿真结果显示，电荷泵升降压速度快、纹波小、效率高。该双电荷泵电路已实际应用于芯片设计中，采用0.18 µm EEPROM工艺流片，输出高压稳定，达到设计要求，并且性能良好。
材料与工艺
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  基于EMMI定位的GaN HEMT耐正向可靠性研究

  白霖

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 83-88.

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  GaN HEMT器件在高温栅偏压（HTGB）应力下会出现势垒退化现象，并进一步引发器件在射频工作下的不稳定和失效问题。使用微光显微镜（EMMI）作为主要工具，对器件的HTGB退化问题进行了研究。讨论了不同电偏置条件下器件EMMI发光的分布和形成机理，并对比了器件在HTGB试验前后EMMI发光图像的变化。HTGB后器件在反偏电场下出现明显新增EMMI亮点，对亮点的微区分析定位到栅下有外延位错对应的局部烧毁点。研究表明，延伸至栅下的外延位错会构成漏电通道，对HTGB下的退化和失效存在贡献。
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  金电化学迁移引起的功放模块失效分析研究

  张茗川

  固体电子学研究与进展. 2023, 43(1): 89-93.

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  针对某一型号功放模块在温度循环过程中出现无功率输出现象，对失效功放模块开展了分析研究。利用扫描电镜和能量色散X射线光谱仪对功放模块内部的MMIC芯片进行形貌观察和元素成分分析。结果表明功放模块内部的MMIC芯片栅极与漏极间发生了金的电化学迁移，导致馈电端短路，从而引起模块无功率输出。经故障复现试验，证实金的电化学迁移与器件内部的助焊剂残留相关，加电使用过程中，金电极在电场、水汽及助焊剂中电解质的共同作用下发生金迁移。