2025年, 第45卷, 第1期　刊出日期：2025-02-25

  

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宽禁带与超宽禁带半导体
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  基于MOCVD的β‑Ga₂O₃同质外延与Al掺异质结外延生长研究进展

  刘洋¹, 何云龙¹, 陈谷然², 陆小力¹, 郑雪峰¹, 马晓华¹, 郝跃¹

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501001

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  β‑Ga₂O₃是一种具有超宽带隙、高临界击穿场强和优异的巴利加优值的半导体材料，近年来在电力电子与深紫外光电探测等领域展现出巨大的应用潜力。金属有机化学气相沉积（Metal‑organic chemical vapor deposition， MOCVD）技术凭借其高生长速率、精确的膜厚控制、优异的薄膜质量和大尺寸生长等优势，成为未来β‑Ga₂O₃走向产业化的潜在方法，并已被广泛应用于β‑Ga₂O₃的外延生长研究。本文对几种常见晶向的β‑Ga₂O₃ MOCVD同质外延生长的研究成果进行了概述，并在此基础上介绍了极具潜力的β‑（Al_xGa_1-x）₂O₃的MOCVD外延生长研究现状。最后，总结了基于MOCVD技术的β‑Ga₂O₃同质外延生长以及β‑（Al_xGa_1-x）₂O₃生长过程中面临的主要问题，并对未来的发展进行了展望。
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  增强型Si基GaN HEMT的p‑GaN栅特性改善研究

  鲍诚, 王登贵, 任春江, 周建军, 倪志远, 章军云

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501002

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  阈值电压和栅极漏电是评价增强型Si基p-GaN栅结构GaN HEMT器件性能的重要参数。热应力和电应力变化会加剧器件栅极附近的电子隧穿效应，促使热电子与器件缺陷相互作用形成界面态，进而导致栅极漏电增大和阈值电压漂移，长时间工作会引起栅极特性退化，阻碍了GaN电力电子器件的大规模工程化应用。本文基于101.6 mm（4英寸）GaN器件工艺平台研制了一款增强型Si基p-GaN栅结构GaN HEMT器件，引入了双层源场板和源接地孔结构设计，并研究了该结构对器件栅极漏电与阈值电压的影响。引入上述结构的器件低温（-50℃）下阈值电压相比高温（155℃）时变化了0.4 V，200 V漏极电应力测试后器件阈值电压相比测试前变化了0.24 V，漏极电压变化时阈值电压变化量为0.2 V，变化量均低于未引入该结构的器件。此外，栅极电压为5 V时，研制的400 μm器件栅极漏电为1.4 μA，在热应力与电应力测试后的变化量约0.1 μA。测试结果表明研制的增强型p-GaN栅结构GaN HEMT能够在复杂环境下安全工作。
射频微波与太赫兹
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  碳纳米管射频晶体管及放大器电路研究

  赵亮¹, 杨扬^1,2, 霍帅^1,2, 张勇^1,2, 陆辉¹, 汪珍胜¹, 钟世昌¹, 唐世军¹, 孔月婵¹, 陈堂胜¹

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501003

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  基于射频电子器件级碳纳米管阵列材料，研制出具备高增益、高线性特性的射频场效应晶体管，并对其进行了S参数提取、等效电路建模及匹配电路设计，实现了单级碳纳米管射频放大器电路。该电路在9 GHz点频增益达10.9 dB，增益1 dB压缩点处三阶交调优于-35 dBc。本文首次报道了X波段碳纳米管射频放大器电路，可为碳纳米管射频电子技术的发展提供技术参考。
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  用于痕量物质检测的碳基太赫兹超表面研究进展

  张向, 王玥

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501004

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  太赫兹超表面传感技术在生物医学检测和疾病诊断领域具有显著优势，这主要得益于太赫兹波的非电离性和生物分子指纹谱特性。本文综述了基于石墨烯和碳纳米管的碳基太赫兹超表面传感器的最新研究，重点讨论了这些传感器在提高灵敏度、特异性检测以及构建宽带指纹频谱等方面的应用，包括不同局域模式下的灵敏度增强和功能材料特殊修饰的特异性检测。具体来说，石墨烯超表面传感器利用其高电子迁移率和线性色散关系，在太赫兹频段内实现灵敏响应。碳纳米管薄膜因其高比表面积和优异的电学性能，提供了更多的活性位点，增强了传感器的检测能力。通过特异性修饰，如功能化金纳米颗粒和生物探针，超表面传感器能够构建高选择性界面，减少背景噪声干扰，提高对目标分子的识别能力。综述强调了碳基太赫兹超表面传感器在实现高灵敏度检测和多功能应用方面的潜力，同时也指出了当前技术面临的挑战和未来发展的方向。
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  毫米波/太赫兹MEMS开关研究及技术进展

  张博, 李依桐, 张乃柏, 宋瑞良, 邓琨, 杨光耀, 刘军

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501005

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  毫米波/太赫兹MEMS开关是一种采用半导体技术制造的微小型可移动器件，具有体积小、功耗低、集成度高等优点。本文首先介绍了毫米波/太赫兹MEMS开关的结构及工作原理，回顾了近年来基于固定梁式和悬臂梁式的毫米波/太赫兹MEMS开关的研究进展，指出对于低功耗的应用来说，悬臂梁式的开关要优于其他的开关设计。然后，分析了几种典型的毫米波/太赫兹MEMS开关的重要性能指标优化方案。最后，阐述了毫米波/太赫兹MEMS开关在6G移动通信的应用，并对其未来研究趋势和面临的挑战进行了总结和展望。
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  基于数字编码的双波束双折叠透射阵列天线

  梁雅洁¹, 杜勇机¹, 王泽华¹, 于映^1,2

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501006

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  提出了一种基于数字编码的双波束双折叠透射阵列天线。该天线由主透射面、副反射面以及喇叭馈源组成，其中主透射面能实现x极化波的全反射和y极化波的全透射，副反射面能将馈源发出的线极化波转换为交叉极化反射波。通过合理布局，该天线能将剖面高度减小为传统透射阵的1/4。此外，采用基于数字编码的方式，先将阵面进行离散化编码为M1，然后将两个相位间隔为180°的单元按照特定梯度编码为双波束调制序列M2，最后把M1与M2序列进行叠加实现双波束。对所设计的双折叠双波束透射阵列天线进行实物制作，实测和仿真结果吻合良好。其中，单波束的最大辐射增益达到24.6 dB，口径效率为40.8%，双波束在±19.5°呈现出最大的辐射增益，分别为18.4 dB和17.5 dB。
硅微电子学
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  一款应用于802.11ax的5.3~7.4 GHz CMOS低噪声放大器设计

  蒋欣怡¹, 石春琦^1,2, 黄磊磊¹, 徐珑¹, 张润曦¹

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501007

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  为满足IEEE 802.11ax应用的低噪声和大带宽需求，设计了一款5.3~7.4 GHz宽带低噪声放大器（Low noise amplifier， LNA）。采用无源变压器作为辅路，实现噪声抵消，在优化噪声系数的同时不增加功耗，与未采用噪声抵消的方案相比，噪声系数改善0.27 dB。采用开关电容阵列，实现可调谐级间网络，子带带宽和整体调谐带宽分别为700 MHz和2.1 GHz。基于等Q圆策略设计宽带输出匹配网络。该款LNA采用22 nm CMOS工艺实现，芯片测试结果表明：3 dB带宽达到2.1 GHz，峰值增益为26.5 dB，在5.3~7.4 GHz频段内，噪声系数均小于2.53 dB，增益大于23.5 dB，功耗为43.05 mW。
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  系统封装高速链路中跨层信号通路与配电网络协同分析

  李涛^1,2,3, 缪旻^1,2,3

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501008

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  针对高速链路信号通路中典型的垂直过孔互连结构和配电网络电源/地平面对的信号完整性（Signal integrity， SI）与电源完整性（Power integrity， PI）问题进行了研究，分析了其电磁耦合机理，提出了一种流程相对简单、资源开销小、建模效率高的协同分析方法。以在研的某型复合陶瓷SiP样品中信号通路和配电网络结构的设计为例，对所提出的协同分析方法的有效性进行了验证。
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  应用于图像传感器的低功耗可编程增益放大器设计技术研究

  郭仲杰, 胡轩瑜, 郭优美, 王艺哲

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501009

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  为了降低超大面阵CMOS图像传感器芯片的平均功耗，基于开关电容放大器的工作机理，提出了一种针对图像传感器前端信号采集与放大模块功耗降低的方法。研究图像传感器光电信号的建立特征，分析信号稳定与偏置电流之间的动态关系，提出以信号高效建立为目标的动态低功耗偏置方法。针对功耗与速度的矛盾问题，提出采用跟随数模转换器（Digital‑to‑analog converter， DAC）的预置电压改进方法，在降低功耗的同时，提升了速度和精度。该方法已成功应用于一款3.3 V 55 nm CMOS工艺的2 048×2 048阵列规模CMOS图像传感器，完成了具体电路设计与后端物理实现。考虑寄生参数的后仿真验证结果表明，输出电压建立精度为12 bit，输出最大摆幅可到1.6 V，在500帧/秒的高速应用下，单列功耗仅有15.2 μW，同时可实现1~4倍的可编程增益，与传统固定偏置方法比较，功耗降低了40%，为高速低功耗的高端超大面阵CMOS图像传感器的设计提供了理论基础。
器件材料与工艺
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  基于区域划分的多功能一体集成物理基模型

  王棱, 毛书漫, 黄磊, 张波, 徐跃杭

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501010

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  射频前端芯片的多功能一体化设计对晶体管模型的功能及其复用能力提出了更高的要求。然而，传统模型无法实现多功能复用，导致模型参数提取步骤多、建模效率低。对此，本文提出了一种基于准物理区划分（Quasi-physical zone division， QPZD）理论的多功能的器件物理基建模方法，模型具备非线性、噪声和开关特性的表征能力。首先，本文阐述了QPZD的建模原理，分别介绍了基于QPZD的非线性、微波噪声和开关三类单功能模型理论，并基于统一的核心模型方程提出了上述模型的一体化融合方法及其多功能模型架构。其次，介绍了包括自热效应、环境温度效应和陷阱效应在内的色散效应的建模方法。最后，从晶体管在片测试验证和射频前端多功能芯片设计验证两个角度对建立的模型进行了验证。仿真实测对比结果表明，模型的非线性、噪声和开关特性的综合仿真精度大于80.33%。本文的建模方法对多功能射频前端关键芯片的全面和精准设计具有重要的指导意义。
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  基于脉冲激光沉积的非晶IGZO场效应晶体管的性能优化

  梅佳旺, 李调阳

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501011

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  采用脉冲激光沉积技术生长出非晶氧化铟镓锌（Indium-gallium-zinc-oxide， IGZO）半导体沟道，并基于微纳加工工艺制备出高性能背栅场效应晶体管，系统研究了沉积温度、氧气压强、后退火对器件电学特性的影响。结果表明，最佳沉积温度为200℃，且随着氧气压强的增加，IGZO场效应晶体管的阈值电压单调正移，当氧气压强为15 Pa时，器件阈值电压大于0 V，晶体管从耗尽型转变到增强型，同时电流开关比提升了5个数量级达到10⁷，提取得到的场效应迁移率为11.8 cm²/（V·s）。通过X射线光电子能谱表征分析，阈值电压正移主要得益于氧气压强的增加降低了IGZO薄膜中的氧空位浓度（即载流子浓度）。此外，为进一步优化器件的电学特性，在250℃温度及Ar∶ O₂氛围中进行了2 h退火处理，IGZO场效应晶体管在阈值电压保持不变的同时，器件迁移率提升至16.1 cm²/（V·s），接触电阻从0.026 5 kΩ·mm降低至0.003 kΩ·mm。
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  基于PDMS锥形微结构的柔性石墨烯压力传感器

  张珈铭¹, 李雷¹, 宋阳¹, 徐荣青¹, 赵江²

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501012

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  为解决压力传感器中的高灵敏度和宽传感范围的平衡问题，受日常应用中光敏印章技术的启发，采用光敏印章辅助掩模技术制作基于聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）锥形微结构的石墨烯压力传感器，并且研究了不同圆锥尺寸对压力传感器灵敏度的影响。结果表明，PDMS锥形结构的圆锥半径为1.5 mm时可有效提高灵敏度，双层PDMS锥形微结构的石墨烯压力传感器在0~0.5 kPa的工作范围时，灵敏度可达0.082 7 kPa^-1；工作范围为0.5~3.0 kPa时，灵敏度为0.293 6 kPa^-1，是目前相同种类、相同结构材料灵敏度的2.4倍。该双层PDMS锥形压力传感器具有62.5 ms的响应时间，125 ms的恢复时间，并呈现优异的重现性，适用于医疗保健、可穿戴电子、智能包装等领域。
测试封装与可靠性
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  SiP外壳陶瓷裂纹及开短路异常分析与改进研究

  莫仲, 邵金涛, 陈骏, 李傲奇, 李航, 韩添

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 0. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501014

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  SiP陶瓷外壳具有高集成度、高可靠性、易拆解便于故障定位等特点，在通信、航空、航天等领域得到了广泛应用，然而，陶瓷体在长期服役过程中可能出现裂纹及开短路异常等可靠性问题。本文从微观角度分析了SiP外壳缺陷的产生原因。利用复合型材料断裂曲线图，结合无损检测和金相、SEM-EDS等分析技术，详细探讨了SiP外壳陶瓷的疲劳强度及开短路失效机制。通过优化结构设计与制造工艺，有效解决了陶瓷裂纹和开短路异常问题。
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  一种毫米波双面晶圆的自动化三维测试系统

  杨进, 张君直, 朱健, 黄旼, 郁元卫, 闫樊钰慧, 王留宝

  固体电子学研究与进展. 2025, 45(1): 10501. https://doi.org/10.12450/j.gtdzx.202501013

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  近年来，随着摩尔定律逐渐放缓，晶上系统（System on wafer， SoW）技术作为最热门的“超越摩尔”技术路线之一，已经成为先进封装领域的研究热点。基于晶上系统技术，将传统的毫米波收发前端阵列组件进行三维重构集成，可实现全新的轻薄化毫米波晶上阵列，具有“三免”（免连接器、免电缆、免管壳封装）的颠覆性结构。本文针对毫米波晶上阵列的自动化测试需求，创新性提出一种毫米波双面晶圆测试方法，突破了多尺寸双面晶圆可靠固定、双面探针精确对准和自动切换以及扎针强度精确控制和实时调节等关键技术，在此基础上研制出毫米波双面晶圆自动测试平台，解决了毫米波收发前端晶上阵列三维测试的难点，对毫米波晶上系统的测试具有重大参考价值。