2024年, 第44卷, 第1期　刊出日期：2024-02-25

  

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宽禁带半导体
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  1 A/mm高电流密度金刚石微波功率器件

  谯兵, 郁鑫鑫, 李忠辉, 陶然, 周建军, 陈堂胜

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 1-5. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401001

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  基于自对准栅电极制备技术，研制了具有低导通电阻和高电流密度的氢终端金刚石微波功率器件。采用高功函数金属Au与氢终端金刚石实现了良好的欧姆接触，接触电阻为0.73 Ω·mm。得益于较低的源漏串联电阻和低损伤AlO栅介质原子层沉积工艺，金刚石微波器件的导通电阻低至4 Ω·mm，饱和电流密度达1.01 A/mm，最大跨导为213 mS/mm，最大振荡频率达58 GHz。研究了该器件在2 GHz和10 GHz频率下连续波功率输出特性，发现在15 V低工作电压下即可分别实现1.56 W/mm和1.12 W/mm的输出功率密度，展现出自对准技术在研制高电流和高输出功率金刚石微波器件上的潜力。
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  高k栅介质增强型β‑Ga₂O₃ VDMOS器件的单粒子栅穿效应研究

  王韬, 张黎莉, 段鑫沛, 殷亚楠, 周昕杰

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 6-12. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401002

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  以增强型β-Ga₂O₃ VDMOS器件作为研究对象，利用TCAD选择不同的栅介质材料作为研究变量，观察不同器件的单粒子栅穿效应敏感性。高k介质材料Al₂O₃和HfO₂栅介质器件在源漏电压200 V、栅源电压-10 V的偏置条件下能有效抵御线性能量转移为98 MeV·cm²/mg的重离子攻击，SiO₂栅介质器件则发生了单粒子栅穿效应（Single event gate rupture， SEGR）。采用HfO₂作为栅介质时源漏电流和栅源电流分别下降92%和94%，峰值电场从1.5×10⁷ V/cm下降至2×10⁵ V/cm，避免了SEGR的发生。SEGR发生的原因是沟道处累积了大量的空穴，栅介质中的临界电场超过临界值导致了击穿，而高k栅介质可以有效降低器件敏感区域的碰撞发生率，抑制器件内电子空穴对的进一步生成，降低空穴累积的概率。
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  3 300 V高性能混合SiC模块研制

  刘艳宏, 杨晓菲, 王晓丽, 荆海燕, 刘爽

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 13-18. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401003

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  将Si基绝缘栅双极型晶体管（Insulated gate bipolar transistor，IGBT）芯片与SiC 结型势垒肖特基二极管芯片按照双开关电路结构排布，开发了一种3 300 V等级混合SiC模块，对其设计方法、封装工艺、仿真、测试结果进行分析，并对标相同规格IGBT模块。混合SiC模块低空洞率焊接满足牵引领域高温度循环周次的要求，冗余式的连跳键合结构可以有效增强功率循环能力。采用双脉冲法测试动态性能，测试结果表明该混合SiC模块反向恢复时间减小了84%，反向恢复电流减小了89.5%，反向恢复能量减小了99%，一次开关产生的总损耗降低了43.3%。混合SiC模块消除了开关过程中电压和电流过冲现象，在高电压、大电流和高频率的应用工况下具有明显的优势。
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  垂直氮化镓沟槽栅极场效应管的优化设计

  杨华恺, 刘新科, 姜梅, 何仕杰, 贺威

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 19-23. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401004

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  在传统的氮化镓沟槽栅极场效应管的基础上，通过引入AlGaN层，在异质结界面处形成二维电子气减小器件的导通电阻，并对漂移层的厚度和掺杂浓度进行讨论，使用TCAD软件对器件进行设计优化。最终优化后的漂移层厚度为6 μm，掺杂浓度为5×10¹⁶ cm^-3。器件获得了较低的导通电阻R_on=0.47 mΩ·cm²，较高的击穿电压V_BR=2 880 V和品质因子FOM=17.6 GW·cm^-2。结果显示出了沟槽栅极垂直氮化镓场效应管在高压大电流应用场景下的优势。
射频微波与太赫兹
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  星载220 GHz分谐波混频器设计

  丁成, 魏星, 施永荣

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 24-28. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401005

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  为满足星载辐射计系统应用，提出了一款220 GHz次谐波混频器。基于平面GaAs肖特基二极管3D电磁模型，混频器电路和结构优化设计采用HFSS和ADS联合仿真实现。通过在50 μm厚的石英基板上倒装反向并联二极管对以及采用纳米银胶将基板粘接在硅铝波导腔的工艺方式，设计并加工实现了一款210~240 GHz分谐波混频器，单边带最小变频损耗仿真结果为7.33 dB，实测变频损耗优于9.6 dB。按照某卫星规定的各项环境试验条件验证其在不同环境条件下的性能，结果证明该混频器试验前后一致性较好。
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  低插入损耗的5~14 GHz慢波时延器芯片设计

  全琪琪, 戴新峰, 沈一鸣, 周光辉

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 29-33. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401006

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  基于0.15 μm E/D pHEMT工艺，设计了一款新型慢波线结构的时延器芯片。该时延器芯片集成了慢波时延线、单刀双掷开关和数字驱动器等功能芯片，其中，慢波时延线通过电磁仿真软件优化慢波结构的长度、间距以及拐角的结构，可以优化时延器的性能，提高集成度；单刀双掷开关采用具有高隔离度和低损耗的串并混合结构；数字驱动器采用高度集成pHEMT工艺，稳定输出两路反相电平。在片测试结果表明：在5~14 GHz频段内，芯片总插入损耗小于8.5 dB，中心频点延时量850 ps，输入输出驻波小于1.7，寄生调幅小于±0.8 dB，静态功耗1 mA@-5 V。芯片版图面积为6.7 mm×5.0 mm。
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  支撑轴宽度对兰姆波谐振器性能的影响

  赵洪元, 房子敬, 李昊

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 34-38. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401007

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  传统AlN压电薄膜的兰姆（Lamb）波谐振器为了减少声能侧向泄露，将支撑轴结构设置较窄导致器件机械稳定性不佳。本文研究分析了Lamb波谐振器的支撑轴结构宽度对器件性能的影响，对不同支撑轴结构宽度进行了有限元仿真，并采用AlN-MEMS工艺制备了工作频率在141 MHz的谐振器样品。测试结果显示，随着支撑轴结构的宽度从20 μm增加到180 μm，谐振器的有效机电耦合系数K²_e从1.7%上升到2.2%，品质因数Q值从621下降到558，声能泄露较少，性能系数FOM值基本不变，表明采用宽支撑轴结构的Lamb波谐振器能兼具优良的机械稳定性及电学性能。
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  Sub‑6 GHz GaAs pHEMT高功率吸收型单刀双掷开关

  陈梓雅, 张志浩, 周杰海, 李玮鑫, 章国豪

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 39-44. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401008

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  基于0.5 μm GaAs赝配高电子迁移率晶体管（pHEMT）工艺，设计了一款高功率吸收型单刀双掷开关芯片。芯片采用堆叠技术和前馈电容技术来提高功率容量和线性度。通过在传统串并联结构的输出端口引入串并联阻容匹配网络，实现了芯片在导通和关断状态下的良好端口匹配。该开关芯片的尺寸为0.82 mm×0.37 mm。实测结果显示，在0.7~6.0 GHz的工作频段内，该开关实现了低于1.1 dB的插入损耗、高于36 dB的隔离度、优于15 dB的通路回波损耗和优于10 dB的断路回波损耗。此外，0.1 dB功率压缩点在1、2、4和6 GHz时，均约40 dBm。
微电子与微系统
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  芯粒集成系统封装I/O高速总线架构设计及实现

  张转转, 缪旻, 朱仕梁, 段晓龙

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 45-49. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401009

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  随着集成密度和单片处理速度的不断提升，芯粒集成系统封装（Chiplet SiP）中互连网络日趋复杂且信号与电源完整性、传输能耗问题日趋严重，芯粒与SiP外部的数据交换I/O（Input/Output）容量的提升遭遇瓶颈。为提升芯粒集成度、提高数据传输速率与准确率、降低系统功耗，根据芯粒间通信的最新标准通用芯粒互连技术（Universal chiplet interconnect express， UCIe），利用高速串行计算机扩展总线标准（Peripheral component interconnect express， PCIe）在高速数据存储及传输方面的技术优势，设计出一种芯粒高速I/O通信的架构，并用FPGA验证了此架构的可行性，为UCIe标准的落地提供了一种实现途径。
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  基于BCD工艺的LIN总线收发器设计

  杨雨辰, 王志亮, 孙力, 谭庶欣

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 50-58. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401010

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  针对汽车内部复杂的控制节点与严苛的通讯环境，设计了一款抑制电磁干扰的局域互联网络（Local interconnect network， LIN）总线收发器芯片。基于90 nm BCD高压工艺，采用双向静电放电保护、分段电流驱动、共源级隔离驱动以及总线反馈技术提高系统可靠性。测试结果表明芯片性能符合LIN总线物理层协议规范要求，实现了高低电压域的转换；同时具有良好的抗干扰能力，信号占空比最大变化仅为2.8%，电磁辐射比标准限制值低28 dBμV，达到车用LIN总线通讯相关标准要求。
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  基于电荷泵的倍增/反向双输出电压转换设计与实现

  张广璋, 马奎, 杨发顺

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 59-64. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401011

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  为了解决目前基于电荷泵的开关电容电压转换芯片功能较为单一的问题，基于Dickson经典电荷泵结构，匹配四路双极型晶体管开关同时实现对输入电压的倍增输出以及倍增后的电压反向。四路二极管充作开关来使用，在降低开关器件导通电压的同时简化了开关电路，缩小了电路的尺寸，并降低了电路的功耗。基于国内某工艺线的40 V互补双极型工艺，设计并制作了带正/负两路输出的开关电容电荷泵电压转换器芯片电路。流片测试结果表明：当电源电压为4 V（负载电流为0 mA、+10 mA）、5 V（负载电流为±10 mA）、9 V（负载电流为+10 mA）、10 V（负载电流为-10 mA）以及11 V（空载）时，输出电压均满足设计指标。
器件材料与工艺
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  金属功函数波动效应快速预测方法及验证

  李怡宁, 杨兰兰, 屠彦

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 65-71. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401012

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  金属功函数波动作为器件制造过程中的主要工艺波动源之一，其波动变化对器件电学特性有极大的影响。本文提出一种简便、快速预测半导体场效应管金属功函数波动效应的方法， 并将其与商业软件中计算功函数波动的统计阻抗场法进行对比分析。参考IBM公司发布的14 nm SOI FinFET结构建立FinFET器件仿真模型并与实验数据对比验证后，引入金属功函数波动，分别用统计阻抗场法与本文提出的快速预测方法计算得到对应随机波动下模型的阈值电压、关断电流、工作电流等电学特性参数的随机分布及这些参数结果的期望值、标准差、极差等统计参数，通过两者结果对比验证了快速预测方法的准确性。
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  大功率808 nm分布反馈激光器阵列研制

  孙春明, 朱振, 任夫洋, 陈康, 苏建, 夏伟, 徐现刚

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 72-76. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401013

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  为了提高808 nm大功率半导体激光器阵列的波长稳定性，提出了带有二阶布拉格光栅的大功率宽条型808 nm分布反馈激光器阵列。相比于传统的一阶布拉格光栅，其可以显著抑制简并纵模的产生，提高器件的波长锁定范围。借助于金属有机化学气相沉积、全息光刻、干法刻蚀以及湿法腐蚀等工艺，完成了器件的制备，并且在准连续条件（200 A、200 μs、20 Hz）下，对所制备的激光器阵列进行了不同温度下的性能测试。测试结果表明：器件峰值输出功率可达到190 W，光电转换效率超过55%，光谱半高宽为0.6 nm，温漂系数为0.06 nm/K，波长锁定范围达到125℃（-35~90℃）。另外，对其进行了老化考评，结果显示，老化2 000 h后峰值功率衰减小于4%。
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  基于分数阶双忆阻器的多稳态混沌系统及其FPGA实现

  熊林海, 吴朝俊, 徐楚岩

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 77-83. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401014

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  将分数阶微积分和忆阻器引入混沌系统可以增加混沌系统的复杂性，从而拓宽混沌系统的应用范围。首先在三阶混沌系统中引入了两个分数阶磁控忆阻器构建新型四阶混沌系统，再采用平衡点稳定性分析、分岔图、相图、动力学地图等方法对其进行动力学行为分析。结果表明：分数阶系统产生了无穷多共存吸引子，具有超级多稳态，展现出丰富的动力学行为。阶次的改变会引起忆阻特性曲线不对称改变，系统状态发生改变。最后，搭建了FPGA实验平台，实验结果与数值仿真结果一致。
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  高温无铅电子封装技术研究进展

  俞铄城

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(1): 84-91. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202401015

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  针对当前高温功率芯片耐高温封装连接问题，评述了国内外新型无铅高温焊料、纳米颗粒烧结技术、瞬时液相连接和瞬时液相烧结（Transient liquid phase sintering， TLPS）技术的研究现状和动态，分析了各种技术的优缺点。分析发现纳米颗粒材料和TLPS 连接技术应用于高温器件封装时具有低温连接、高温服役的显著优势。但纳米颗粒材料烧结过程中存在有机物难以挥发、Cu纳米颗粒易被氧化、Ag纳米颗粒接头中的电迁移等问题；TLPS烧结过程中由于有机粘结剂的挥发以及颗粒物体积收缩，致使接头产生孔洞，导致接头的电导率和热导率降低。这些问题可以通过合金元素的添加、工艺的改进，以及焊料的复合化加以解决，这将推动高温电子封装行业的发展。