2024年, 第44卷, 第6期　刊出日期：2025-12-25

  

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碳基电子器件及应用
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  碳基射频电子器件研究进展

  潘梓澎, 丁力

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 469-486. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406001

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  碳作为自然界中含量丰富的元素，其多样的同素异形体促进着社会科技不断发展。特别在半导体领域，金刚石、石墨烯以及碳纳米管凭借其超高的载流子迁移率和独特的能带结构，在高频、高功率甚至电力电子等方面有着巨大应用前景。本文综述了近年来碳基材料（金刚石、石墨烯和碳纳米管）在射频电子器件方面的研究进展，包括材料制备、特性分析、射频电子器件工艺和成果等。最后，列举了目前碳基材料在射频方面所面临的挑战，并展望未来碳基射频电子器件的进一步发展。
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  碳纳米管单片三维集成电路

  谢雨农, 张志勇

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 487-502. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406002

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  随着人工智能、大数据等领域的发展，对芯片算力和能效的要求越来越高。传统的硅基芯片技术面临功耗墙、存储墙和尺寸缩减等限制，亟须新的沟道材料和芯片架构来推动信息电子产业的继续向前。碳纳米管（Carbon nanotube， CNT）因其优异的电学、力学和热学性能，成为构建下一代集成电路的理想材料。本文综述了碳纳米管单片三维集成电路（Molithic three-dimmensional integrated circuit，M3D IC）的最新研究进展，包括其制备工艺、性能优势、应用场景以及面临的挑战，最后讨论了未来可能发展的几个方向。
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  碳纳米管场效应晶体管的制备技术发展与挑战

  高喜龙, 司佳, 张志勇

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 503-518. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406003

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  由平行阵列碳纳米管（Aligned carbon nanotubes， ACNTs）材料构建的场效应晶体管因其超高的载流子迁移率、尺寸缩减潜力、互补金属氧化物半导体（Complementary‑metal‑oxide‑semiconductor， CMOS）的可实现性以及晶圆级制备的可能性，成为后摩尔时代高性能、低功耗场效应晶体管的强力候选者。本文综述了碳纳米管场效应晶体管的制备工艺，分别从材料制备、晶体管结构、源漏工程和栅工程等角度，详细地拆解并评价了各工艺的优势和局限性，总结了目前碳基场效应晶体管所面临的工艺挑战，讨论了适用于超大规模集成电路的工艺方案，并展望了碳纳米管晶体管工艺的未来发展。
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  单手性半导体碳纳米管的分离及其在电子学中的应用研究进展

  孙雅楠, 雷毅敏, 祝杰杰, 魏宇翔, 张鹏, 朱青, 李培咸, 马晓华

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 519-546. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406004

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  半导体性单壁碳纳米管（Semiconducting single-walled carbon nanotubes，s-SWCNTs）以其高载流子迁移率和弹道运输等优异的电学特性，成为后摩尔时代新型半导体材料的有力竞争者。经过20多年的发展，碳基电子技术在s-SWCNTs的材料提纯、基于s-SWCNTs的场效应晶体管（CNT FETs）的制备，以及基于CNT FETs的器件物理等基础问题上已经取得显著进展。然而s-SWCNTs的手性多样性引发的CNT FETs电学性能波动等问题，限制了s-SWCNTs在具有先进制程和卓越性能的高端集成电路（Integrated circuit， IC）中的应用。单手性的s-SWCNTs不仅展现出优异的电学性能，还具有可控的结构和稳定的性能，这些特性对其在高端IC中的应用至关重要。尽管如此，在提高单手性s-SWCNTs的分离纯度和产量，以及优化单手性CNT FETs方面，仍面临诸多挑战。本文综述了碳纳米管手性分选的方法，并重点讨论了共轭聚合物后处理方法的研究进展。然后总结了单手性CNT FETs的研究进展，并分析了未来的发展方向。最后对单手性s-SWCNTs的应用前景进行了展望，分析了未来将要面临的挑战和机遇。
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  金刚石SBD及RF‑DC电路应用研究

  马源辰, 任泽阳, 李逸江, 张金风, 许琦辉, 苏凯, 张进成, 郝跃

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 547-551. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406005

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  采用微波等离子体化学气相沉积设备对单晶金刚石衬底进行氢等离子体处理，形成氢终端金刚石表面空穴电导，制备氢终端肖特基二极管。二极管采用金作为阴极金属，铝作为肖特基金属。接着通过金线键合技术制备了RF‑DC电路。二极管表现出良好的整流特性，在正向电压为-5 V时，电流大小为1.13 mA。RF‑DC电路采用了双金刚石肖特基二极管，确保信号输入的全周期都能保持工作。在10 MHz频段下，成功将射频电压信号由7 V的交流电转变成平均电压为1.97 V的直流电，转换效率为13.3%，与仿真结果一致。实验结果表明了金刚石肖特基二极管应用于RF‑DC电路的可行性。
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  不同沉积温度Al2O3栅介质金刚石MOSFET器件研究

  谯兵, 郁鑫鑫, 何适, 陶然, 李忠辉, 陈堂胜

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 552-555. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406006

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  采用原子层沉积（Atomic layer deposition， ALD）技术，在（001）晶面的单晶金刚石衬底上制备了不同沉积温度Al₂O₃栅介质的氢终端金刚石MOSFET器件。在200℃下沉积Al₂O₃栅介质的器件的饱和电流密度为291 mA/mm，当沉积温度升高至300℃时，器件的饱和电流密度大幅度提高至504 mA/mm，提高了73%。同时，升高沉积温度后，器件还具有更低的导通电阻、更高的跨导和更大的阈值电压，表明该器件具有更高的载流子浓度，这与300℃下沉积的Al₂O₃中具有更多的负电荷有关。对两种器件的小信号特性进行了研究，发现将ALD Al₂O₃的沉积温度从200℃升高至300℃后，器件的截止频率f_T和最大振荡频率f_max也得到了提升，表明采用高温ALD Al₂O₃沉积技术可以显著提升金刚石MOSFET器件的电流密度和频率性能。
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  多晶金刚石散热片制备工艺研究

  郝晓斌, 李一村, 孔霞, 吕继磊, 成楚飞, 代兵, 郭怀新, 朱嘉琦

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 556-560. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406007

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  通过微波等离子体化学气相沉积（Microwave plasma chemical vapor deposition， MPCVD）方法制备了不同工艺条件下的多晶金刚石散热片，并对其热导率、翘曲、表面形貌、晶体取向和拉曼光谱进行测试和分析。结果表明，甲烷浓度和生长温度对金刚石生长速率和品质都有较大影响，适当降低甲烷浓度并提高生长温度有助于制备低翘曲、高热导率的高品质多晶金刚石散热片。
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  GaN器件金刚石近结集成热管理技术研究进展

  郭怀新, 陈堂胜, 孔月婵, 李忠辉, 李义壮, 黄健

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 561-567. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406008

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  GaN器件大功率及高功率密度的发展受限于其自生热和近结区散热能力引起的器件结温升高问题，导致器件性能严重下降，GaN器件的大功率潜能远未得到发挥，金刚石近结集成热管理技术是解决GaN器件热瓶颈的重要途径。本文详细论述GaN器件近结热管理技术的重要性，并对近年来国际上正在开展的金刚石近结散热技术方法进行系统分析和评述，揭示了金刚石与GaN器件近结集成工艺途径及面临的技术挑战，阐述了GaN器件金刚石近结集成热管理的技术现状和发展方向。
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  化学气相沉积合成纯单层石墨烯的技术综述

  徐洋健, 肖润涵, 王浩敏, 于广辉

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 568-575. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406009

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  石墨烯的各种优异性能使其在半导体领域中具有广阔的应用前景，同时其单原子层的特殊结构使得石墨烯的层数对其各种特性有着显著的影响。因此，高质量和层数可控的石墨烯薄膜的规模化稳定制备是实现其在微电子、光学和传感器等领域中各种关键器件应用的基础。目前，在众多的石墨烯制备方法中，大尺寸、高质量石墨烯薄膜制备的最主要手段是化学气相沉积法。本文综述了近年来利用化学气相沉积法合成纯单层石墨烯连续薄膜的相关研究进展，针对纯单层石墨烯薄膜的制备，分别从碳源供应、生长气氛、衬底工程等角度出发，对纯单层石墨烯生长控制机理与生长工艺进行了介绍，并对各种方法生长的石墨烯晶体质量、层数均匀性进行了说明，最后对该领域的发展进行了展望。
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  石墨烯光电集成技术研究进展

  吴云, 曹正义, 陶然, 张广琦, 李忠辉

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 576-584. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406010

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  石墨烯具有极高的迁移率和光电耦合效率，展示出的光电性能远超硅及其他光电材料，此外石墨烯在异质集成时不受晶格匹配的限制，可同多种材料实现完美兼容，这对面临多材料体系集成挑战的光电集成技术而言，几乎是理想材料。本文聚焦石墨烯在光电集成技术方面的优势，回顾了石墨烯在光电探测器、电光调制器方面的研究进展，总结各类器件的优势及存在的缺陷，并就石墨烯在光电集成方面的未来发展进行了展望。
微电子与微系统
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  基于系统级封装技术的小型化乒乓式跳频源的研制

  蔡茂, 徐勇, 赵博, 尹峰

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 585-590. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406011

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  对了应对日益复杂的通信环境，满足综合通信系统的需求和集成技术的发展，本文基于系统级封装技术研制了一款小型化乒乓式跳频源，能够实现在12~14 GHz频段的快速跳频。测试得到该跳频源的相位噪声为-93 dBc/Hz@1 kHz，杂散抑制大于66 dBc，频率切换时间为25 ns，锁定时间为25 μs，尺寸为16.0 mm×11.0 mm×3.1 mm。
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  一种低电流失配的鉴频鉴相器与电荷泵设计

  沈诗雅, 杨俊浩, 张沁枫, 魏敬和

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 591-597. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406012

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  基于0.18 μm SiGe BiCMOS工艺提出了一种低电流失配的鉴频鉴相器和电荷泵。鉴频鉴相器采用改进的边沿触发型结构，D触发器和与门等模块均基于电流模逻辑，能够抑制共模噪声并减小鉴相死区；电荷泵中设计了电流补偿偏置电路，能够减小沟道长度调制效应等因素的影响，降低电流失配。通过抑制鉴频鉴相器和电荷泵的上述非理想效应可以降低其造成的相位误差，进而优化锁相环的带内相噪。在典型工艺角下，3.3 V电源电压供电，电荷泵输出电流为3.2 mA时，补偿后0.7~2.8 V电压范围内充放电电流失配度小于1%，鉴频鉴相器和电荷泵电流噪声为-214.199 dBA/Hz @100 kHz。流片测试得到锁相环的相位噪声为-138.34 dBc/Hz @100 kHz，表明设计的鉴频鉴相器和电荷泵具有低电流失配和低带内相位噪声。
器件材料与工艺
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  磁场和温度对有限深抛物量子阱中极化子性质的影响

  红兰, 双山, 戈君

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 598-602. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406013

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  运用线性组合算符法和变分技术并结合LLP第二次幺正变换和量子统计理论，研究磁场和温度影响下有限深抛物量子阱中极化子的性质，分别得到极化子基态能量和基态结合能与温度、磁场回旋共振频率、阱宽、电子-声子耦合强度之间的函数关系式。数值计算得到极化子基态能量是磁场回旋共振频率和温度的增函数，是电子-声子耦合强度和阱宽的减函数。极化子基态结合能随着温度、电子-声子耦合强度、阱宽的增加而增大，随着磁场回旋共振频率的增加而减小。量子限制效应与阱宽有关，阱宽越小量子限制效应越显著。
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  应变补偿BGaN/AlGaN超晶格深紫外LED空穴浓度

  董明慧, 张燕, 栾加航, 申世英

  固体电子学研究与进展. 2024, 44(6): 603-610. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202406014

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  高Al组份AlGaN薄膜中的Mg受主活化能较大、空穴浓度较低，制约了AlGaN基深紫外发光二极管（Light⁃emitting diode， LED）的辐射复合效率。为了提高AlGaN的空穴浓度，构筑了BGaN/AlGaN超晶格对空穴浓度进行补偿。由于应变产生了极化电场、能带弯曲，使B0.14Ga0.86N/Al0.5Ga0.5N超晶格的空穴浓度高达5.7×10¹⁸ cm^-3。与Al0.5Ga0.5N、Al0.4Ga0.6N/Al0.5Ga0.5N超晶格相比，B0.14Ga0.86N/Al0.5Ga0.5N超晶格的空穴有效质量小，而迁移率高，有利于空穴-电子在多量子阱区域辐射复合。由于能带弯曲和电子阻挡层能够有效阻止电子向p型区域扩散，导致B0.14Ga0.86N/Al0.5Ga0.5N超晶格的电子电流密度几乎为0，而空穴电流密度高达112.1 mA/cm²。另外电子阻挡层还导致B0.14Ga0.86N/Al0.5Ga0.5N超晶格结构的内量子效率、输出功率以及自发发射光谱明显高于Al0.5Ga0.5N、Al0.4Ga0.6N/Al0.5Ga0.5N超晶格。综上所述，BGaN/AlGaN超晶格产生的应变能够对空穴浓度进行补偿，且改善AlGaN基深紫外LED的发光性能。