2024年, 第44卷, 第2期　刊出日期：2024-04-25

  

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宽禁带半导体
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  金刚石色心调控及光学谐振器的研究进展

  杨良禾, 刘金龙, 屠菊萍, 郑宇亭, 牟恋希, 李灏, 魏俊俊, 李成明

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 93-108. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402001

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  金刚石因其优异的光学特性和色心发射器而被应用于光子器件领域。光学谐振器是一种微纳米光学结构，基于有限模体积内的光-物质相互作用增强，能够将金刚石色心的发射与谐振器的增强效应相结合，有选择性地增强色心的发射，用于在光子电路中提供稳定且强度充足的光学信号。近年来，金刚石微纳加工技术的发展推动了金刚石光学谐振器的研究和应用。本文总结了金刚石光学谐振器的研究现状，概述了金刚石的基本性质、合成与加工方法，介绍了金刚石色心的生成以及其与光学谐振器的耦合原理，梳理了三种不同类型的金刚石光学谐振器的研究进展，并对未来金刚石光学谐振器的发展进行了展望。
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  4H‑SiC CMOS高温集成电路设计与制造

  陈浩炜, 刘奥, 黄润华, 杨勇, 刘涛, 柏松

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 109-112. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402002

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  设计、制造并测试了基于碳化硅材料的横向MOSFET器件和CMOS电路。常温时，N型和P型MOSFET在片测试的阈值电压分别约为5.4 V和-6.3 V；温度达到300℃时，N型和P型MOSFET的阈值电压分别为4.3 V和-5.3 V。由N型和P型MOSFET组成的CMOS反相器在常温下输出的上升时间为1.44 μs，下降时间为2.17 μs，且在300℃高温条件下仍可正常工作。由CMOS反相器级联成的环形振荡器在常温下的测试工作频率为147 kHz，在高温下也可正常工作。
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  面向柔性直流变流器应用的低损耗4 500 V/5 000 A IGBT模块

  高东岳, 叶枫叶, 张大华, 钱培华

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 113-118. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402003

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  为适应柔性直流变流器传输容量不断提高的应用需求，电网用大功率低损耗的IGBT模块成为发展趋势。本文介绍了一种4 500 V/5 000 A IGBT模块，通过自对准N型增强层的大面积IGBT元胞设计，提高了多芯片并联的压接模块的静动态性能，采用P和N场限制环加多级场板的终端结构保证了模块高耐压和低漏电，优化芯片工艺适配压接封装需求。封装的4 500 V/5 000 A IGBT压接模块常温下的饱和压降（V_CEsat）为2.4 V；高温125℃下，V_CEsat为3.12 V，集电极和发射极间的漏电流只有18.78 mA。当频率为100~150 Hz时，静动态总损耗比竞争产品低2%左右，并且模块通过了125℃下的短路安全工作区测试、反向偏置关断安全工作区测试和反向偏置测试。
射频微波与太赫兹
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  基于改进开关可调电容的宽调谐太赫兹频率源设计

  徐雷钧, 芦哲涵, 白雪, 陈建锋

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 119-124. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402004

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  针对太赫兹频率源调谐范围窄的问题，基于普通PMOS可变电容设计了一种改进的开关可调电容，实现了电容变化的单调性，并基于该电容结合衬底调谐方式设计了一种宽调谐范围、高输出功率的压控振荡器（Voltage‑controlled oscillator， VCO）。将设计的VCO结合二倍频器实现了一种工作在太赫兹频段的，具有较宽调谐范围及较高输出功率的太赫兹频率源。使用40 nm CMOS工艺设计的太赫兹频率源输出频率为146.3~168.5 GHz，调谐范围14.1%，并同时具有最高1.3 dBm的输出功率，其在10 MHz频偏处的相位噪声最优为-105.52 dBc/Hz。
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  0.6~18.0 GHz超宽带低噪声放大器MMIC

  郝翔, 王维波, 闫俊达, 袁巍, 韩方彬, 陶洪琪

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 125-130. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402005

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  基于0.15 μm GaAs E-pHEMT工艺设计并制备了一款0.6~18.0 GHz的低噪声放大器单片微波集成电路。该放大器使用一级共源共栅结构，通过负反馈实现宽带的匹配设计。同时在共栅晶体管栅极增加到地电容，共源管和共栅管漏极增加峰化电感，以提高高频增益，扩展带宽，改善噪声。常温在片测试结果表明，在3.3 V单电源供电下，0.6~18.0 GHz频带内该款低噪声放大器噪声系数典型值1.5 dB，小信号增益约15 dB，增益平坦度小于±0.9 dB，输入、输出电压驻波比典型值分别为1.7和1.8，1 dB压缩点输出功率典型值14 dBm，功耗72.6 mW，芯片面积1.5 mm×1.2 mm。
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  面向脉冲调制器的S波段高效线性MMIC功率放大器

  段佩壮, 马明明, 李鹏程, 郭润楠, 庄园, 余旭明, 陶洪琪

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 131-137. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402006

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  针对脉冲调制全数字发射机中高速数字信号难以高效驱动射频功率放大器的问题，提出了一种高效线性MMIC功率放大器设计方法。采用连续F类功率放大器提高数字发射机系统的效率，采用三阶互调抵消改善临近饱和线性度。基于南京电子器件研究所 GaAs pHEMT工艺，研制了一款S波段高效率线性功率放大器进行验证。测试结果表明，在3.4~4.0 GHz频段内，当输入功率为-10 dBm时，输出功率为26.2~26.7 dBm，功率附加效率为53.3%~60.7%，功率增益为36.2~36.7 dB。在3.7 GHz频点，输出功率为24.5 dBm，三阶互调失真小于-30 dBc；9 dB峰均比、40 MHz 正交频分多路复用的64-QAM调制信号激励下，平均输出功率及对应的功率附加效率分别为20.5 dBm和28%，实现了-30 dBc的邻道功率比及5.5%的误差向量幅度。
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  K波段高增益宽带的异极化透/反射阵列天线

  杜勇机, 王泽华, 张驰, 梁雅洁, 于映

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 138-142. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402007

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  提出了一种具有新型多功能空间馈电平面的阵列天线，可以同时实现透/反射两个波束。该阵列通过快速响应编码对圆环反射单元和透射单元进行合理分布，以实现不同极化方向的透/反射波束。基于所提出的透射和反射单元，设计并制造了具有25×25个单元的透射-反射阵列天线，分别产生向后的极化方向的反射波束和向前的极化方向的透射波束。该天线的中心频率为22 GHz，测试结果表明，反射波束最大增益为22 dB，3 dB增益带宽达到28%；透射波束的最大增益为19.2 dB，3 dB增益带宽达到27%。
微电子与微系统
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  一种16位电流舵DAC的高精度前台校准方法

  张妍, 蒲佳, 何善亮, 何浩江, 曹文涛

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 143-148. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402008

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  基于28 nm CMOS工艺，采用一种高精度的前台校准技术设计了一款16 bit电流舵数模转换器（Digital-to-analog converter，DAC）电路。该前台校准算法对16 bit数据对应的所有电流源进行校准，并且使用的电流源只有两种大小，降低校准难度的同时也提升了校准的精度。该校准电路引入了两种校准补充电流，分别用于温度和输出电流变化引起电流源失配的补偿，进一步减小了DAC电流源的失配，有效提高了DAC的整体性能。采用校准后，在-40~85℃温度范围内，微分非线性≤0.8 LSB，积分非线性≤2.0 LSB，200 MHz输出信号下无杂散动态范围≥75.3 dB。该校准方法提高了DAC的温度稳定性。
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  基于改进型RBF神经网络的直接数字频率合成器设计

  倪崧顺, 张长春, 王静, 张翼

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 149-156. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402009

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  提出了一种基于改进型径向基函数（Radial basis function，RBF）神经网络的高性能直接数字频率合成器，相比于传统的直接数字频率合成器避免了相位截断误差并降低了资源消耗。为了进一步提高RBF神经网络的训练效率及稳定性，提出一种改进型的RBF神经网络训练算法。该算法在粗调阶段，利用K-means++算法快速确定初始激活函数中心，使激活函数中心分布更加合理；在细调阶段则采用L-BFGS-B算法，对粗调阶段得到的最佳中心进行精细调整，进一步降低输出误差。通用FPGA平台的实验结果表明，基于改进型RBF神经网络的直接数字频率合成器当输出时钟频率为1.53 MHz时，无杂散动态范围为85.26 dB，相位噪声为-90.50 dBc/Hz@ 100 kHz，且无需占用额外ROM资源。
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  应用于三维集成的金铟键合技术研究

  栾华凯, 侯芳, 孙超, 吴焱, 禹淼

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 157-160. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402010

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  由于埋置芯片耐受温度的限制，圆片级低温键合技术是MEMS三维集成的关键工艺之一。金属In凭借自身熔点低而金属间化合物（Intermetallic compound， IMC）熔点高且性质稳定的特点，使得Au-In固液扩散键合法成为颇具前景的低温键合技术之一。本文采用Au-In二元共晶化合物进行圆片级低温键合，在键合衬底上先后制备了0.4 μm的SiO/SiN介质层、3.5 μm的Au层和1.7 μm的In层，然后分别研究了先预加热键合极板再贴合圆片和先贴合再加热两种键合方式。电性能测试、An/In组分分析和剪切试验结果表明：先贴合再加热的键合样品芯片形成了性质稳定的IMC组分，具有良好的电学互连特性稳定性，且剪切强度达到100 MPa。一定样本容量的实验结果证明隔绝键合前Au-In的相互扩散能够有效增强键合的可靠性。
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  温度循环和随机振动载荷下堆叠封装焊点可靠性模拟研究

  潘碑, 王宏光, 李宇轩, 葛振霆, 陈鹏鹏

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 161-166. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402011

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  采用有限元模拟研究了堆叠封装（Package on package， PoP）在温度循环和随机振动载荷下的焊点可靠性，包括封装内部的基板堆叠焊点和封装外部的板级互连焊点。通过应力分析定位危险焊点并计算焊点在温度循环下的疲劳寿命。模拟结果表明：在温度循环载荷下，应力主要集中于基板边角处焊点，基板堆叠焊点的疲劳寿命为3 002周次，板级互连焊点的疲劳寿命为1 552周次；在随机振动载荷下，两层焊点的应力值均较低，在50~2 000 Hz的随机振动频率范围内具有较高的可靠性。
器件材料与工艺
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  高温退火对AlN外延材料晶体质量的影响

  罗伟科, 王翼, 李亮, 李传皓, 张东国, 杨乾坤, 彭大青, 李忠辉

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 167-172. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402012

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  采用高温退火技术改善金属有机物化学气相沉积AlN薄膜材料晶体质量。研究发现较低的生长温度下，Al原子迁移能力弱，外延呈岛状生长模式，形成大量的柱状晶粒，晶粒倾斜、扭曲，晶格原子排列混乱，存在大量的位错和层错缺陷；高温退火时晶格发生重构，晶粒合并，位错和层错缺陷减少，晶格排列整齐，晶体质量得到提升。通过优化生长温度和退火温度，获得了高质量的200 nm厚AlN模板，其（002）和（102）面的X射线双晶衍射摇摆曲线半高宽分别为107 arcsec和257 arcsec，位错密度比退火前降低了2~3个数量级。
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  高压FRD少子寿命控制技术研究

  艾治州, 李松岭, 张帮会, 王二俊, 张小辛

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 173-177. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402013

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  快恢复二极管（Fast recovery diode，FRD）常采用寿命控制技术来减小反向恢复时间，但也会改变其他电学性能。本文研究了扩铂工艺、电子辐照工艺以及结合扩铂和电子辐照工艺对1 700 V FRD的导通压降温度特性、反向恢复特性以及反向漏电流的影响。实验结果表面：采用扩铂与电子辐照工艺后，FRD的导通压降分别呈现出负温度系数与正温度系数；结合两种工艺后，FRD的导通压降趋于零温度系数。此外，在导通压降近似为2 V时，扩铂后FRD的反向峰值电流为21.3 A，且反向漏电流最小；电子辐照后FRD的反向峰值电流为35.2 A，且反向漏电流最大；结合两种工艺后，发现反向漏电流介于两者之间，反向峰值电流为25.9 A，同时获得了较小的反向恢复电荷，大小为4148.9 nC。
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  高压GGNMOS器件结构及工艺对ESD防护特性的影响

  傅凡, 万发雨, 汪煜, 洪根深

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(2): 178-182. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202402014

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  基于高压CMOS工艺，对高压栅极接地N型金属氧化物半导体（High voltage grounded‑gate N‑metal‑oxide‑semiconductor， HV‑GGNMOS）的静电放电（Electrostatic discharge， ESD）防护性能进行研究。由于强折回特性以及失效电流低，HV‑GGNMOS在实际应用中受到限制。本文通过计算机辅助设计技术仿真及传输线脉冲实验研究了工艺参数及版图结构对器件ESD防护性能的影响。结果表明，增加漂移区掺杂浓度可以有效提高器件失效电流；加强体接触和增加漂移区长度可以提高器件的维持电压，但失效电流会有所下降，占用版图面积也会更大。