固体电子学研究与进展

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金刚石衬底异质集成GaN HEMT——新一代固态微波功率器件

曹敏华

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 287-288.

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Si/SiC混合并联功率器件开关模式优化及特性分析^*

贝斌斌, 乐程毅

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 289-295.

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在对比SiC MOSFET和 Si IGBT器件开关特性的基础上,提出了一种SiC MOSFET和 Si IGBT混合并联器件的优化开关模式,并结合系统稳态模型,分析了其非理想开关过程特性。利用双脉冲测试,对不同开通/延迟时间下的混合并联器件开关特性展开了实验。实验结果表明,所提开关模式能够同步实现SiC MOSFET扩容并降低Si IGBT的开关损耗。该研究成果可对拓展两种开关器件的混合应用提供技术参考。

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X波段GaN千瓦级功率放大器的设计

斛彦生, 黄旭, 王毅, 李剑锋, 倪涛, 银军, 郭艳敏

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 296-301.

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为满足新型雷达对千瓦级大功率放大器的需求,采用0.25 μm GaN HEMT工艺研制了一款输出功率大于2 000 W的X波段内匹配功率放大器。通过背势垒层结构与双场板结构提高器件击穿电压,使GaN HEMT管芯的工作电压达到60 V。通过负载牵引得到管芯最优阻抗,采用T型匹配网络和功率分配/合成器将管芯阻抗匹配到50 Ω。在工作电压60 V、占空比1‰、脉宽5 μs测试条件下,9.0~9.4 GHz频段内输出功率大于2 000 W,最大功率密度达到10.4 W/mm,功率增益大于7 dB,功率附加效率大于37.2%。

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高压二极管阻断I-V特性研究^*

赖桂森, 谢桂泉, 郭卫明, 王晨涛, 焦石, 洪波, 张磊

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 302-305.

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针对高压二极管在终端工艺中出现的3种阻断I-V特性进行了相关测试分析,通过TCAD模拟仿真,结合器件内部电场和漏电流分布,理论研究了3种不同终端负斜角角度对其阻断I-V特性的影响,阐述了导致器件击穿电压降低和软击穿的本质机理。研究结果表明,当终端负斜角θ<1°时,器件获得了低电压的硬击穿特性;当1°≤θ<3°时,器件可获得最佳阻断电压的硬击穿特性。导致硬击穿的本质原因是峰值电场位于有源区边界或靠近边界的位置。对于θ≥3°,高的峰值电场靠近终端区斜角表面边缘而导致I-V呈软击穿特性。

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一种具有n型隐埋载流子存储层的BRT新结构^*

张超, 王彩琳, 刘园园, 杨武华, 苏乐

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 306-310.

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提出了一种具有n型隐埋载流子存储层的基极电阻控制晶闸管（BRT）新结构。利用TCAD仿真软件对其工作机理和静态特性进行了分析,并与双栅BRT进行了性能对比。结果表明,新器件导通时会产生电子注入增强效应,由绝缘栅双极晶体管模式快速转换成晶闸管模式,当n型隐埋层浓度为8×10¹⁵cm^-3,隐埋层与p基区相接并与p⁺⁺分流区距离接近时,能够有效抑制器件中的电压折回现象,获得良好的导通特性。新器件的导通压降为3.84 V,比传统器件减少了26%。

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一种用于砷化镓晶圆级堆叠的工艺技术

廖龙忠, 周国, 毕胜赢, 付兴中, 张力江

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 311-315.

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随着电子系统对多功能、小型化要求的不断提高,将数字控制电路、移相器、低噪声放大器等砷化镓微波集成电路（MMICs）进行3D集成是解决问题的方向。为此,设计具有数百个互连点的孔链测试结构模拟上下两层电路互连,采用砷化镓穿孔技术将正面互连压点转移到背面,研究适用砷化镓薄片的晶圆级键合技术,开发出两片式砷化镓面对背的晶圆级堆叠工艺技术,堆叠成品率达到90%以上。利用这项工艺,将砷化镓数字电路堆叠到低噪声放大器芯片上,形成了Ka波段幅相多功能电路,测试在32~38 GHz频段内,接收端增益大于21.5 dB,噪声小于4 dB,移相精度小于4°;发射端增益大于23 dB,输出功率大于25 dBm（输入功率10 dBm）,移相精度小于4°。

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统计静态时序分析方法综述^*

郭静静, 赵东敏, 蔡志匡

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 316-323.

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随着纳米技术的进步,工艺参数波动给电路性能带来的不确定性愈发明显,成为影响集成电路设计的主要因素之一。为了对先进工艺下超大规模集成电路更准确地进行时序分析,现代计算机辅助设计工具通过概率分布来表征电路的时序行为,并提出了统计静态时序分析（Statistical static timing analysis,SSTA）的方法。为了提高SSTA的速度,各种各样的方法及模型被陆续提出来。本文对快速蒙特卡洛仿真法、离散数值法、查找表法、解析法这四类SSTA的加速方法展开研究并对其性能进行分析,介绍了SSTA最新的研究方向并对各种时序分析方法进行总结展望。

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0.3~3.0 GHz超宽带高精度数控移相器的设计

李光超, 蒋乐, 豆兴昆, 于天新, 褚水清

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 324-328.

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基于0.15 μm GaAs 赝高电子迁移率晶体管（pHEMT）工艺,研制了一款应用于相控阵系统的集成数字驱动器的0.3~3.0 GHz高精度 6 bit数控移相器芯片,通过级联6个不同移相单元可实现最小步进为5.625°的0°~360°移相范围。5.625°、11.25°、22.5°移相单元采用开关切换单阶磁耦合全通网络结构,45°移相单元采用开关切换电容补偿单阶磁耦合全通网络结构,90°、180°采用开关切换高通补偿两阶磁耦合全通网络结构。在片测试结果表明：在0.3~3.0 GHz频段内,数控移相器芯片64态移相均方根误差小于3°,插入损耗小于18 dB,全态移相附加调幅小于±1 dB,输入输出驻波小于1.9,静态功耗为3 mA@-5 V。芯片版图面积为5.00 mm×3.45 mm。

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低成本高性能背腔缝隙阵列天线

杜勇, 汤一铭, 章博

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 329-334.

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基于基片集成空腔波导（ESIW）结构设计并研制了一款低成本、宽带、高增益的背腔缝隙阵列天线。天线工作在K波段,由5层低成本FR4介质板组成,通过激励谐振腔中的TM₁₃₀与TM₃₁₀模式以及TM₃₂₀模式来拓展天线带宽。测试结果表明,该天线的子阵和阵列的反射系数小于-10 dB的工作带宽分别为27.6%和23.7%,带内最大增益为27.1 dBi,与仿真结果比较吻合。与传统背腔缝隙天线相比,该天线具有频带宽、辐射性能良好、加工成本低等特点。

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一种含隐藏吸引子的新型忆阻超混沌系统^*

张国桢, 王聪, 张宏立

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 335-340.

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基于一种三维混沌系统,通过引入忆阻反馈增加系统维数,实现了一种新型忆阻超混沌系统。通过绘制系统相图、李雅普诺夫指数谱、分岔图以及庞加莱截面等对其进行了相关的动力学行为分析,表明该系统具有复杂的动力学特性,可以产生隐藏吸引子。选取不同的初始条件,该系统出现了周期极限环及准周期极限环与混沌吸引子共存的状态。在Multisim仿真平台上进行了电路仿真,验证了数值分析结果,证明了新型忆阻超混沌系统电路设计的正确性与有效性。

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级联PA的效率优化策略及其在55 nm CMOS E波段PA中的应用^*

方宗华, 黄磊磊, 刘博晓, 石春琦, 张润曦

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 341-346.

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根据多级功率合成功率放大器（PA）的功率附加效率（PAE）公式,对效率进行理论计算分析,得出了以下效率优化策略：在级联功率合成功放的最后一级放置功率分配器可以提供最优的整体PAE,优化最后一级有源或无源器件对整体PAE的改善最为显著。根据上述策略,从有源器件效率、增益效率比和无源器件插入损耗这三个参数出发,对PA的最后一级做了具体优化。采用55 nm CMOS 工艺设计了一款E波段PA,实现了24%的峰值PAE,26 dB的峰值增益,7.2 GHz的3 dB带宽,14.1 dBm的饱和输出功率和11.3 dBm 的1 dB压缩点输出功率。

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一种低噪声全差分电荷泵型锁相环的实现^*

师勇阁, 胡勇华, 高秋辰

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 347-352.

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采用HHGrace 180 nm CMOS工艺实现了一款低噪声全差分电荷泵型锁相环,可为物理层芯片提供精确且稳定的时钟信号。鉴频鉴相器和分频器采用电流模逻辑电路构成基本单元,提高了锁相环的工作速度;设计了一种改进型差分电荷泵,引入共模反馈使电荷泵输出电压的静态工作点更加稳定,提高了锁相环的相位噪声性能。测试结果表明,该锁相环功耗小于24 mW,芯片面积为510 μm×620 μm,锁定时间小于2.5 μs,相位噪声为-108 dBc/Hz@100 kHz、-113 dBc/Hz@1 MHz。

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一种晶圆级封装的MEMS数控衰减器

孙俊峰, 姜理利, 刘水平, 郁元卫, 朱健, 黎明, 陈章余

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 353-358.

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设计实现了一种晶圆级封装的三位MEMS数控衰减器,工作频段DC~15 GHz,衰减范围0~35 dB,步进5 dB。衰减器采用MEMS工艺实现,信号传输采用共面波导（CPW）结构,6个直接接触式悬臂梁MEMS开关对称放置实现不同衰减量的切换,每个开关带有三个触点,电阻网络采用T型结构,整个衰减器实现晶圆级封装。测试结果显示,DC~15 GHz频段内实现了8个衰减态,衰减器插入损耗小于1.7 dB,回波损耗小于-15 dB,衰减平坦度小于±5%,功耗几乎为零。芯片尺寸为2.7 mm×2.7 mm×0.8 mm。

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增强型AlGaN/GaN HEMT器件中子位移损伤效应研究

邱一武, 马艺珂, 张平威, 殷亚楠, 周昕杰

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 359-365.

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采用能量为14 MeV的中子对增强型AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管器件进行了最高注量为3×10¹⁴ n/cm²的位移损伤辐照实验。实验结果表明：当中子注量不大于3×10¹⁴ n/cm²时,器件转移特性曲线向左发生不同程度漂移,曲线斜率增大,阈值电压轻微变化,栅特性不受辐照注量影响,而跨导峰值和关态泄露电流有所改善。此外,不同注量的中子辐照后,器件的饱和漏极电流呈现出下降趋势,且中子注量越大,漏极电流退化越明显。结果分析可知,中子辐照产生的新型位移缺陷影响了沟道二维电子气的迁移率和极化电荷密度,从而导致器件电学特性改变。与此同时,室温退火过程中发现器件特性有部分恢复,归因于辐照产生的缺陷在常温下不太稳定,与其他间隙原子发生复合,缺陷得以消除。

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栅控二极管ESD工艺优化方法研究

贺琪, 赵晓松, 张庆东, 顾祥, 赵杨婧

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 366-369.

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为解决通过更改器件设计来提升电路抗静电放电（ESD）能力时成本高的问题,从栅控二极管的工艺出发,研究CAN总线电路抗ESD能力提升方法。通过TCAD仿真,评估了沟道掺杂对于栅控二极管抗ESD能力的影响,发现调整ESD离子注入工艺可以优化栅控二极管导通电阻,提高ESD保护窗口内的泄流能力,将电路抗ESD能力从2 000 V提高到3 000 V,为电路级芯片的失效问题提供了一种解决方案。

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Pb₉₀Sn₁₀焊点硅基器件与PCB板组装的温循可靠性研究

张君直, 凌显宝, 袁汉钦, 田飞飞

固体电子学研究与进展. 2023, 43(4): 370-374.

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采用有限元仿真和实验两者相结合的方法,对-40~70℃使用环境下的Pb₉₀Sn₁₀焊点硅基器件与PCB板组装的组件,选择-55~85℃温度循环条件进行可靠性分析和研究。Anand模型仿真分析焊点在温循下应力应变行为,提取模型焊点在最后一个温度循环结束时的等效塑性应变分布并进行分析,确定最易发生热疲劳失效的关键焊点和关键位置。基于Coffin-Manson方程对热循环条件下焊点的服役寿命和失效模式进行预测。仿真结果表明焊点失效机理为热疲劳失效,失效模式为焊点开裂,失效循环周期为3 984 cycles。实验表明：温度循环500次,未出现焊点裂纹、空洞等缺陷;温度循环2 000次后焊点形貌由球形变为椭球形,焊点未出现明显缺陷。

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2023年, 第43卷, 第4期　刊出日期：2023-08-25

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