固体电子学研究与进展

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陈堂胜戴家赟吴立枢孔月婵周书同齐志央钟世昌凌志健

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 95-100.

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晶体管级异质集成是后摩尔时代半导体微波器件技术发展的重点方向。介绍了针对平面和纵向两类不同结构器件分别开发的介质键合和金属键合两套外延层转移晶体管级异质集成工艺，研制出基于介质键合工艺的金刚石衬底GaN HEMT微波功率器件和基于金属键合工艺的SiC衬底GaAs PIN限幅器电路。测试结果表明，与常规的SiC衬底GaN HEMT器件相比，金刚石衬底GaN HEMT器件在高热耗工作下器件热阻减小超过50%，连续波工作输出功率和功率附加效率分别提高0.77 dB和5.6个百分点；与常规工艺的GaAs衬底限幅器相比，18~40 GHz SiC衬底GaAs PIN限幅器单片电路限幅电平基本一致，插入损耗改善约0.2 dB，耐功率能力提高3 dB以上。

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射频三维微纳集成技术

朱健郁元卫刘鹏飞黄旼陈辰

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 101-107.

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后摩尔时代，半导体技术的发展主要有延续摩尔（More Moore）和超越摩尔（More than Moore ）两条路径，延续摩尔通过新材料新范式，沿着摩尔定律进一步将线宽逐渐微缩至3 nm甚至进入埃（Å）量级，超越摩尔则是采用异质异构三维微纳集成的途径来满足下一代电子高速低功耗高性能的需求。异质异构集成可以充分利用不同材料的半导体特性使得系统性能最优化。射频三维微纳集成技术推动高频微电子从平面二维向三维技术突破，成为后摩尔时代高频微电子发展的重要途经。射频三维微纳异质异构集成技术利用硅基加工精度高、批次一致性好、可以多层立体堆叠等特点，不断推动无源器件微型化、射频模组芯片化、射频系统微型化技术发展。本文介绍了射频三维微纳技术发展趋势，并给出了国内外采用该技术开拓RF MEMS器件、RF MEMS模组以及三维射频微系统技术发展和应用案例。

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GaN HFET加应力后的虚栅和亚稳态能带

薛舫时杨乃彬陈堂胜

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 108-120.

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使用双曲函数拟合描绘出从应力偏置转换到测试偏置后，不同时刻的表面电势、电场强度和电场梯度的动态弛豫过程。计算出这一偏置转换引发的亚稳态能带。亚稳态能带的弛豫过程描绘出沟道夹断后的异质结充电过程。亚稳态能带计算证明外沟道中的强场峰、电场梯度峰、能带谷和能带峰都由局域电子气电荷引起，局域电子气的慢输运行为延缓了异质结充电过程，拉长了偏置转换中的亚稳态能带转换弛豫。当负应力栅压向空间电荷区注入电子给陷阱充电时，陷阱电荷叠加在局域电子气电荷上，强化了能带畸变和电流崩塌。由此提出涉及异质结能带转换的新虚栅模型。在新虚栅模型下异质结能带变化引发的电子气状态变化比旧虚栅模型中的电子耗尽作用强得多，据此能够解释从漏控DLTS测得的外沟道陷阱密度比栅控DLTS测得的内沟道陷阱密度大1~2个数量级的实验结果。使用涉及能带转换的新虚栅模型讨论了GaN HFET研究中的电流崩塌、3 mm场效应管及可靠性难题。提出二维异质结构用异质结鳍来研制场效应管的新课题。

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GaAs及GaN微波毫米波多功能集成电路芯片综述

彭龙新邹文静孔令峥张占龙

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 121-135.

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综合论述了GaAs和GaN微波毫米波的收发多功能芯片、幅相多功能芯片和GaAs限幅放大器集成芯片的发展状况、电路结构和性能特性，简述了收发多功能中的功率放大器和低噪声放大器的设计方法、幅相多功能中数字移相器和衰减器的设计方法，给出了限幅低噪声放大器中限幅器的设计参考。

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GaN HEMTs微波器件的失效机理及宇航应用保障

林罡

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 136-146.

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经过30年的发展，GaN已成为当今化合物半导体领域的研究和产业化的热点，同时也是卫星微波通讯的未来重点发展技术之一，但其可靠性一直是制约GaN HEMT器件工程化的重要因素。本文回顾和总结了南京电子器件研究所解决GaN HEMT微波器件的可靠性问题的研发历程，整理了GaN HEMT微波器件在各阶段的典型失效模式、失效机理。针对GaN微波器件的宇航应用，描述了与相关技术配套的宇航应用保障体系，以实现其良好的运行及未知风险的控制。

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基于国产单晶衬底的150 mm 4H‑SiC同质外延技术进展

赵志飞王翼周平李士颜陈谷然李赟

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 147-157.

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高阻断电压、大功率密度、高转化效率是电力电子器件技术持续追求的目标，基于4H‑SiC优异的材料特性，在电力电子器件应用方面具有广阔的发展前景。围绕SiC MOSFET器件对外延材料的需求，介绍了国内外主流的SiC外延设备及国产SiC衬底的发展，并重点介绍了宽禁带半导体电力电子器件国家重点实验室在国产150 mm（6英寸）SiC衬底上的高速外延技术进展。通过关键技术攻关，实现了150 mm SiC外延材料表面缺陷密度≤0.5 cm，BPD缺陷密度≤0.1 cm，片内掺杂浓度不均匀性≤5%，片内厚度不均匀性≤1%。基于自主外延材料，实现了650~1 200 V SiC MOSFET产品商业化以及6.5~15 kV高压SiC MOSFET器件的产品定型。

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晶圆级柔性高性能GaN HEMT及InP HBT器件

戴家赟陈鑫王登贵吴立枢周建军王飞孔月婵陈堂胜

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 158-162.

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通过研究基于临时键合与解键合工艺的 GaN、InP 等材料无损剥离和晶圆级柔性集成等关键技术，提出了解决当前柔性化合物半导体器件普遍存在的转移后器件性能退化严重和大面积批量制造困难等问题的方案，制备出100 mm（4英寸）柔性 GaN HEMT 器件和75 mm （3 英寸）InP HBT 器件。其中，柔性GaN HEMT器件的饱和电流衰减仅为8.6%，柔性InP HBT器件的电流增益截止频率和最高振荡频率分别达到了358 GHz和530 GHz。表明采用本文介绍的柔性化方法制备的柔性电子器件在高频大功率等领域具有较好的应用前景。

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一种40 GSa/s超宽带采样保持电路

罗宁周猛张有涛叶庆国

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 163-167.

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基于0.7 μm的InP双异质结双极晶体管（DHBT）工艺设计了一种超高速宽带采样保持电路。输入缓冲器采用Cherry-Hooper结构有效提升了电路的增益和带宽。时钟缓冲器采用多级Cascode结构提升时钟信号的带宽。芯片面积1.40 mm×0.98 mm，总功耗小于1.1 W。测试结果表明：电路可以在40 GSa/s采样速率下正常工作。电路的-3 dB带宽在采样态为24 GHz，在采样保持态为19 GHz。在采样保持态，当输入4 GHz、-6 dBm信号时，电路的总谐波失真（THD）低于-41.5 dBc，有效位数（ENOB）相当于6.6。时域测试波形在本文也有呈现。

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基于SIP模块的瓦片式有源阵列天线的一体化设计

徐梦苑刘麒汤君坦韦逸魏紫东

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 168-174.

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基于三维系统级封装（3D-SIP）技术设计实现了一款工作于X波段的瓦片式一体化有源阵列天线。该有源阵列天线基于多通道SIP模组技术与高密度垂直互连技术将有源通道与平面天线进行一体化集成。设计的瓦片式一体化有源阵列天线包含6×8个T/R通道，可以在8.6~10.0 GHz频段内实现大于±45°的扫描能力，最大等效全向功率（EIRP）值为65.2 dBm，阵面尺寸128 mm×96 mm×13 mm，重量303 g。仿真与实测结果表明，提出的基于3D-SIP技术的瓦片式一体化有源阵列天线具备低剖面、小型化、低成本、高性能及高可靠性等产品优势，可以在雷达、通信及成像等系统中广泛推广应用。

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基于多物理场仿真的超宽带大功率电桥设计

陈晓青朱建彬成爱强顾黎明

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 175-180.

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为满足大功率组件中功率合成的需求，设计加工了一款表贴式超宽带大功率电桥。该电桥采用蛇形带状线，优选低损耗、高热导率的介质板（SJ9350H），降低介质厚度等方法，极大地减小了器件尺寸。同时采用多节定向耦合器结构，利用各节耦合器反射波彼此抵消原理，实现了超宽带特性。在电桥端口处进行半开帽处理，可将内部热量通过介质传导和空气对流方式散发出去，提升了电桥的耐功率能力。文中还采用COMSOL多物理场软件对大功率工作状态下电桥的电场与温度进行了电热联合仿真。测试结果表明，该表贴式超宽带大功率电桥的工作频带为0.2~1.0 GHz，电压驻波比小于1.3，插损小于0.6 dB，平均抗烧毁功率大于350 W。

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X波段双模功率MMIC设计

刘新宇郭润楠张斌

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 181-186.

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基于有源负载调制的多阻抗匹配技术，采用0.25 μm GaN HEMT工艺，研制了一款工作在X波段双模功率放大器芯片，使功率放大器在峰值及回退10 dB两种输出功率模式下均具有较高的效率。采用对称双路三级放大拓扑设计，利用多阻抗匹配与电压切换方式实现双模工作。主功放设计兼顾高功率与低功率模式下的输出功率与效率；辅功放兼顾低功率模式下输出匹配网络呈现高阻状态与高功率模式下匹配网络实现宽带匹配两种状态。测试结果表明，在25℃环境温度、脉宽、占空比10%脉冲测试下，8.5~13.0 GHz频率范围内，功率放大器的高功率模式饱和输出功率最高可达47.5 dBm，功率附加效率最高达到43%；10~12 GHz频率范围内，低功率模式输出功率可达37 dBm，功率附加效率最高达到27%。

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多通道薄膜铌酸锂阵列波导光栅研制

王琛全何晓舟王子彦钱坤顾晓文唐杰钱广

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 187-190.

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基于薄膜铌酸锂材料平台，通过开发金属掩膜与ICP刻蚀相结合的波导制备工艺，研制出了8通道且通道间隔400 GHz的阵列波导光栅，器件整体尺寸为1.28 mm×1.38 mm。测试结果表明，该阵列波导光栅的串扰小于-15 dB，通道非均匀性小于0.5 dB。该器件为薄膜铌酸锂基波分复用技术积累了研制经验，并有望推进多通道微波光子模块的小型化应用。

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高迁移率AlN/GaN/AlN双异质结材料生长及特性研究

罗伟科李忠辉李传皓杨乾坤李亮董逊彭大青张东国

固体电子学研究与进展. 2023, 43(2): 191-196.

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采用金属有机物化学气相沉积（MOCVD）制备了高迁移率AlN/GaN/AlN双异质结材料，实验发现生长温度是影响异质结材料性能的关键，降低生长温度可以减少表面裂纹密度，同时减少界面AlGaN合金形成，提升二维电子气（2DEG）浓度。在1 000℃采用脉冲法生长AlN势垒，既能提升Al原子在生长表面的横向迁移，又能减少GaN沟道层中Ga原子的纵向扩散；另外，还可以降低AlGaN合金对二维电子气的散射作用，改善异质结的界面陡峭度和表面质量，提升AlN/GaN/AlN双异质结二维输运特性。通过优化脉冲时间、脉冲周期等条件，制备出了室温下方块电阻仅为245 Ω/sq，2DEG迁移率约1 190 cm²¹³ cm ^-2 的AlN/GaN/AlN双异质结材料。

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2023年, 第43卷, 第2期　刊出日期：2023-04-25

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