2024年, 第44卷, 第5期　刊出日期：2024-11-04

  

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固态太赫兹器件及应用
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  基于DRIE的太赫兹行波管硅基低损耗慢波结构工艺技术研究

  吴杰, 杨扬, 刘欣, 严可, 郑源, 冯堃, 王政焱, 姜理利, 黄旼, 李忠辉, 朱健, 陈堂胜

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 369-373. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405001

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  行波管慢波结构的制造通常采用计算机数字化控制精密机械加工技术。随着工作频率的提升，对慢波结构特征尺寸精度的要求达到微纳米级，导致加工难度大、周期长，成本高昂，一定程度上限制了技术的快速发展。硅基MEMS加工工艺具备优秀的三维形貌可控性，尺寸控制精度高，批次一致性较好。本文针对太赫兹行波管功率源对双槽深折叠波导慢波结构的设计要求，开发了基于硅基底材料的三维集成工艺制造技术。采用光刻胶掩蔽结合介质掩蔽工艺方法，聚焦优化深反应离子刻蚀（Deep reactive ion etching， DRIE）中刻蚀钝化平衡参数，完成了电镀金和金金键合的完整工艺流程开发，实现了工作频率达0.65 THz、单位长度插入损耗低至1.6 dB/mm的高性能硅基太赫兹慢波结构150 mm晶圆级工艺制备，为太赫兹行波管的技术突破和应用发展建立了技术基础。
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  太赫兹间隙波导径向功率合成技术研究

  成海峰, 杜佳谕, 朱翔

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 374-378. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405002

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  针对太赫兹固态功放研制对于低损耗功率合成器的需求，基于间隙波导技术在200~240 GHz的频段开发了一种4路波导径向功率合成器。经无源测试，该间隙波导径向合成器的回波损耗优于-15 dB，无源合成效率达到了88.7%，展现出了间隙波导在太赫兹频段的低损耗特性。通过封装2只GaN功放芯片形成功率模块为基本单元，进一步开展有源功率合成，最终在220 GHz实现了311 mW的峰值输出功率，在200~240 GHz的频率范围内平均功率合成效率为81%。
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  基于101.6 mm晶圆 35 nm InP HEMT工艺的340 GHz低噪声放大器芯片研制

  孙远, 陈忠飞, 陆海燕, 吴少兵, 任春江, 王维波, 章军云

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 379-383. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405003

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  实现了在101.6 mm InP晶圆上制备35 nm的增强型InP高电子迁移率晶体管。通过InAs复合沟道外延结构设计，使得室温二维电子气迁移率面密度乘积达到4.2×10/（V·s）。采用了铂钛铂金埋栅工艺技术，典型器件最大跨导达到2 900 mS/mm，电流增益截止频率达到460 GHz，最高振荡频率为720 GHz。同时研制出340 GHz低噪声放大器芯片，在310~350 GHz内小信号增益22~27 dB，噪声系数在8 dB以下。建立了340 GHz InP低噪声放大器芯片技术平台，为太赫兹低噪声单片微波集成电路的发展奠定基础。
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  截止频率1.2 THz的GaN肖特基二极管及其三倍频单片集成电路

  代鲲鹏, 纪东峰, 李俊锋, 李传皓, 张凯, 吴少兵, 章军云

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 384-389. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405004

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  通过设计不同掺杂浓度和厚度的GaN低掺杂外延层，制造了两款SiC基GaN肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode， SBD）。结果显示在低掺杂层厚度为80 nm，掺杂浓度为8×10¹⁷ cm^-3条件下制备的GaN SBD截止频率高达1.2 THz。基于该SBD管芯制备了平衡式三倍频单片集成电路，室温下三倍频电路在305~330 GHz频段内连续波饱和输出功率大于10 mW，带内最大输出功率达25 mW，最高倍频效率达到3.3%。
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  基于太赫兹单片集成电路的560 GHz次谐波混频器设计

  张宜明, 张勇, 牛斌, 代鲲鹏, 张凯, 陈堂胜

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 390-395. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405005

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  基于太赫兹单片集成技术，设计并加工了一款560 GHz次谐波混频器。建立了二极管的三维电磁模型进行全波仿真，并结合二极管SPICE参数模型，获得了包括寄生参数和本征参数的二极管完整模型。基于半分部-半整体设计法对电路进行了仿真优化，既具有灵活性，电路整体尺寸也较小。整体电路设计在3 μm厚的GaAs薄膜上，有效地抑制了高次模的传输，同时降低传输损耗。通过铺大面积的梁氏引线提供足够的应力支撑，提高电路的稳定性。实验结果表明：本振驱动功率3 mW下，混频器在520~600 GHz射频范围内变频损耗小于11 dB。
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  基于GaAs肖特基二极管单片集成技术的330~400 GHz三倍频器

  纪东峰, 代鲲鹏, 王维波, 余旭明

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 396-400. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405006

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  基于砷化镓肖特基二极管研制了工作频率为330~400 GHz的三倍频器。在三倍频电路中，通过将二极管管芯排布方向与信号传输方向垂直，形成了无偏置反向并联型结构，实现对偶次谐波的抑制和对奇次谐波的增强，提高了三倍频器倍频效率。为减小电路封装误差，采用单片集成技术将二极管和外围电路集成在25 μm厚的砷化镓衬底上实现三倍频芯片。并将芯片封装入一体设计的屏蔽腔中构成了波导-悬置微带线结构来减小电路损耗。实测结果显示，在330~400 GHz范围内，当输入功率为22 dBm时，三倍频器输出功率大于5.5 dBm，并有优于7 dBm的峰值输出功率。
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  大规模太赫兹相控阵技术的瓶颈与进展

  张季聪, 戴炳礼, 丰益年, 牛中乾, 王成, 张波

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 401-405. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405007

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  大规模相控阵系统是太赫兹无线传输技术走向灵活应用的核心与关键之一。本文介绍了大规模太赫兹相控阵技术的发展瓶颈与研究进展，重点介绍了采用瓦片式拼接的方案，将16个CMOS芯片通过金丝键合互联，构成了最大规模64阵元（8×8）的太赫兹相控阵发射机。通过平衡式直流供电网络和“前向辐射+背部散热”的架构实现良好的直流供给和热量处理，保证阵列的工作性能。峰值等效全向辐射功率（Effective isotropic radiation power， EIRP）可达35 dBm，本振信号泄漏抑制度和镜频信号抑制度均大于35 dB，水平和垂直方向均实现±60°的波束覆盖。本文还推出了国际上最远距离52 m的太赫兹相控阵实时无线通信链路，系统传输速率达1.6 Gbit/s。
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  硅基太赫兹发射机集成电路研究进展

  陈喆, 周培根, 李泽坤, 唐大伟, 张睿, 严铮, 唐思远, 周睿, 齐玥, 严蘋蘋, 高亮, 陈继新, 洪伟

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 406-413. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405008

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  近年来，太赫兹频段作为下一代6G通信技术的备选频段受到了广泛关注，太赫兹也成为研究热点。太赫兹集成电路（芯片）是推动各种太赫兹应用系统快速发展的关键。随着硅基工艺的特征频率/最大振荡频率（f_T/f_max）不断提高，采用低成本硅基工艺，在太赫兹频段实现全集成的硅基太赫兹发射机成为可能。本文简要综述了基于硅基工艺的太赫兹发射机芯片技术的重要研究进展，包括150 GHz直接上变频发射机芯片、220 GHz滑动中频超外差发射机芯片，以及D波段直接调制发射机芯片。实验测试验证了太赫兹频段在高速通信应用中的优势，硅基太赫兹收发集成电路有望成为6G系统中突破高速数据速率需求的关键技术。
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  太赫兹相控阵系统设计研究进展

  陈尚轩, 鲁成健, 韩畅轩, 陈卓恒, 程序

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 414-424. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405009

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  太赫兹相控阵系统作为未来通信和雷达技术的核心支柱，在6G通信、卫星通信和超低延迟应用中具有广阔前景。本文综述了太赫兹相控阵系统的主要架构，包括中频移相、本振移相、基带移相和射频移相等方案，并分析了其在不同应用场景中的优缺点与技术挑战。特别关注基于CMOS工艺的太赫兹相控阵系统以及太赫兹相控阵收发器的研究进展，涵盖了从W波段到超过0.5 THz的设计突破。这些新兴技术为高频相控阵系统提供了新的设计思路，有望在未来超高速通信和低延迟应用中发挥关键作用。
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  太赫兹GaN SBD外延材料的应力调控及低缺陷密度控制技术研究

  李传皓, 李忠辉, 彭大青, 王克超, 杨乾坤, 张东国

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 425-429. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405010

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  采用金属有机物化学气相沉积（Metal organic chemical vapor deposition， MOCVD）技术在101.6 mm （4英寸）半绝缘SiC衬底上开展太赫兹用GaN 肖特基势垒二极管（Schottky barrier diode， SBD）外延材料应力演进及缺陷密度控制的研究。提出了一种基于AlGaN过渡层的应力调控方案，实现了外延材料的应力调控；采用低温脉冲式掺杂技术生长n+-GaN层，降低了外延材料的缺陷密度，提升了晶体质量。研制的101.6 mm GaN SBD外延材料的弯曲度（Bow）/翘曲度（Warp）为-12/18 μm，（002）/（102）面半高宽为148/239 arcsec，方阻9.2 Ω/□，方阻片内不均匀性1.1%，并基于自研材料实现了截止频率为1.12 THz的GaN SBD器件的研制。
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  连续域束缚态赋能的太赫兹超表面：从机理到应用

  孙广成, 王玥, 李曜合, 闫志巾, 胡辉

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 430-444. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405011

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  太赫兹（Terahertz，THz）超表面能够在亚波长尺度下对入射光子进行捕获，并在共振频率处产生强烈的局域场增强效应，表现出卓越的光场操控能力。光子连续域束缚态（Bound states in the continuum，BIC）是位于辐射连续域内的非辐射本征态，具有无限高Q因子和动量空间偏振涡旋两个卓越特性，为在THz超表面中定制高Q共振和增强光场操控带来了新的机遇。本文从回顾光学BIC的历史发展进程出发，综述了周期性光学系统中各类BIC的物理性质及其产生机理，并从拓扑角度着重讨论了BIC的产生及演化规律。此外，着重介绍了BIC赋能的超表面在THz光子学领域的新兴应用，讨论了该领域面临的挑战并对其发展前景作了展望。
微电子与微系统
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  一款全定制深亚微米抗辐照LDO的版图设计

  邹文英, 张宇涵, 李小强, 杨沛

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 445-449. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405012

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  为了提高低压差线性稳压器（Low dropout regulator， LDO）在辐射环境下的功能稳定性，本文提出了一种适用于深亚微米LDO的抗辐照版图加固技术。通过使用大头条形栅和P+保护环等结构，并结合工艺加固和版图设计技术来提高电路的抗辐照性能。测试结果表明设计的LDO电路具有较好的电源抑制比、高增益和快速瞬态响应；电路的辐照实验表明，电离辐射总剂量大于300 krad（Si），单粒子闩锁（Single event latch-up， SEL）的阈值大于75 MeV·cm²/mg，单粒子翻转（Single event upset， SEU）错误率小于1×10^-10 error/（bit·day），满足深亚微米LDO的抗辐照要求。
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  应用于TDC电路的低相噪电荷泵锁相环

  李铭, 毕元昊, 韩冬, 徐跃

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 450-454. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405013

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  基于SMIC 0.18 μm CMOS工艺实现了一种低相位噪声的四级差分延迟振荡器结构锁相环。通过增加额外的充、放电支路和单位增益放大器优化电荷泵结构，有效减少锁相环电路中的时钟馈通、电荷共享等非理想因素，同时采用重定时结构的反馈回路消除了电路中噪声的积累。测试结果表明，当输入参考频率为40 MHz时，锁相环的输出中心频率在5 μs内稳定到960 MHz，相位噪声为-125 dBc /Hz@ 1 MHz，较好解决了传统锁相环结构由于噪声抑制性能差而无法满足高精度时间-数字转换（Time-to-digital conversion， TDC）电路要求的问题。
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  具有宽电源电压的CMOS电压基准设计

  李强, 杨媛, 邢文彬, 邵思琪, 张国良, 王婷婷, 赵博

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 455-460. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405014

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  传统CMOS电压基准的输出电压随电源电压的变化较大，为了满足电压基准的精度要求，传统CMOS电压基准的电源电压工作范围就会受到限制。本文提出了一种宽电源电压CMOS电压基准电路，通过减小电压基准的偏置电流随电源电压的变化，提高电压基准输出电压的精度。此外，电压基准电路未使用运算放大电路和双极型晶体管，缩小了芯片面积。所提出的电压基准采用0.18 μm CMOS工艺进行流片，芯片面积仅为0.026 mm。仿真和测试结果表明：当电源电压从1.8 V至5 V变化，电压基准的输出电压变化了约0.176%/V。当温度从-25~125℃范围内变化，输出电压的温度系数约为82.78×10 V/℃。电源噪声的频率为1 kHz时，输出电压的电源抑制比为-60 dB。
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  L/S频段一体化高集成SiP模块设计

  刘为勇, 熊锦康, 王旭昌, 许冰, 黄勇, 余蒋平

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(5): 461-467. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202405015

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  为解决系统小型化、轻量化的设计需求，设计了一款支持北斗RNSS、RDSS一体化SiP收发模块，工作频段支持北斗B3/L/S三频点。该SiP模块采用一体化陶瓷封装架构，通过异质异构集成方式集成了多种射频无源器件和数模芯片。采用金属腔体屏蔽与多排交叉金属通孔结构实现了隔离屏蔽，并对滤波器、多工器、巴伦以及传输结构等无源器件进行了仿真设计，最终实现尺寸为24.0 mm×24.0 mm×4.3 mm，性能良好。文中介绍了SiP收发模块的工作原理、关键技术以及最终实现形式，设计结果满足定位及导航终端等相关应用需求。