“微电子工艺技术”教学改革创新与实践

以“立德树人”和“新工科”理念为指导,树立以学生为中心,优化课程知识体系结构,将虚拟仿真、项目式教学和校企协作育人等教学模式有机融入课程体系建设,构建链条式的课程知识地图和由价值观塑造、知识传授和能力培养组成的闭合回路,打破了传统观念束缚和时空限制,推进现代信息技术和产业与微电子工艺教学的深度融合,提升学生知识应用和工程实践能力,培养专业责任感和家国情怀。

微电子专业生产实习教学模式的探索与实践

为了适应微电子产业的高速发展,发挥国家示范性微电子学院的辐射作用,对作为实践教学的重要组成部分和重要环节的生产实习进行了教学模式的改革。以校企联合实训基地和微电子工艺实验室为载体,利用虚拟仿真和实际操作相结合的教学手段,构建了由学术演讲、参访学习和实验操作三部分组成的多元化微电子生产实习教学及评价体系,克服了微电子专业特点给生产实习带来的困难,达到了新时期培养微电子卓越人才和新工科建设的要求。

基于分集接收技术的可见光接收机前端电路

为了减弱噪声对可见光通信质量的影响,提高可见光通信系统的抗干扰性,基于台积电180 nm CMOS工艺,提出了一种抗噪能力较强的可见光接收机前端电路.电路主要包括跨阻放大器、限幅放大器、直流偏移消除网络和输出缓冲级.输入端对信号进行两路接收,通过印制电路板绘制把外部两个光电二极管相连,对接收到的光电流信号进行等增益合并,合并信号作为输入信号提供给光接收机模拟放大电路,这种设计实现了分集接收技术,提高了光通信系统的信噪比.跨阻放大器采用调节型共源共栅结构,共源结构作为反馈环路,降低芯片的输入阻抗,共漏结构提高了跨阻放大器的带负载能力.限幅放大器采用改进Cherry Hooper型限幅放大器结构,引入反馈电阻降低级间等效电阻,扩展有效带宽,并通过增加负载电阻为支路提供偏置电流,有效提高了电路的输出范围.测试结果表明,在电源电压为1.8 V、光电探测器等效电容为5 pF时,光接收机的跨阻增益为88 dBΩ,-3 dB带宽为510 MHz,在误码率小于3.8×10-3的条件下实现了600 Mb/s的数据传输.芯片功耗为43.62 mW,整体面积为624μm×823μm,当误码率为10-9时,基于分集接收的光接收机的灵敏度为-11.5 dBm.对比实验表明,分集接收技术降低了可见光通信的误码率,提高了通信质量,因此基于分集接收技术的光接收机有望应用于室内可见光通信系统领域.

实验教学示范中心的新工科建设探索与实践

在新工科建设背景下,结合市级电子科学与技术实验教学示范中心的建设历程,以培养具有家国情怀、全球视野、创新精神和实践能力的卓越人才为目标,探索了实验教学、环境安全、实验教学师资队伍和信息化平台开放利用等方面的建设方法与途径。充分利用好各级部门精准有利的政策支持,落实产学研协同育人和全链条式人才培养模式,形成了实验教学示范中心值得借鉴的创新特色建设方案。

基于循环神经网络的双麦克风语音增强算法

针对基于神经网络的语音增强算法难以部署在助听器中的问题,基于循环神经网络,提出了一种低延迟、低复杂度的双麦克风语音增强算法。该算法利用两个麦克风做空域滤波初步去除非期望方向噪声,并进一步通过循环神经网络得到纯净语音信号。为了解决助听器中全相位滤波器组阶数较多而引起群延迟较大的问题,创新性地提出一种分段式滤波器组,在保证性能的同时有效减少了阶数。仿真结果显示,该滤波器组在16 k采样率下的群延迟为3.125 ms,在0 dB的babble、volvo、factory1环境下,该语音增强算法的SNR平均提升了10.556 5 dB,PESQ平均提升了0.678 7。实际测试结果中,SNR平均提升了9.439 4 dB,PESQ平均提升了0.735 0。当DSP系统时钟频率为104 MHz时,助听器经过的系统延迟为8.4 ms,功耗为6.2 mA,可以很好满足助听器高续航的需求。

三级台面InGaAs/InP雪崩光电二极管的低边缘电场设计

设计了一种三级台面的InGaAs/InP雪崩光电二极管,解决了器件边缘电场和暗电流较高的问题.采用Silvaco Atlas器件仿真软件分析了边缘间距、电荷层掺杂浓度及厚度、倍增层掺杂浓度及厚度对器件性能的影响.仿真结果表明,本文设计的三级台面器件在边缘间距为8μm时有最优器件尺寸和较低边缘电场.采用掺杂浓度为1×10^(17)cm^(-3)、厚度为0.2μm的电荷层和掺杂浓度为2×10^(15)cm^(-3)、厚度为0.4μm的倍增层,成功将高电场限制在中心区域,使得反偏电压40V时的边缘电场降低至2.6×105V/cm,仅为中心电场的1/2,增强了器件的抗击穿能力.此外,本文设计的器件在0.9 V_(br)时的暗电流降低至9.25pA,仅为传统两级台面器件的1/3.

基于SiGe BiCMOS工艺的高速光接收机模拟前端电路

基于IBM 0.18,μm SiGe BiCMOS工艺,设计了一款12.5,Gb/s的全差分光接收机模拟前端电路.该电路由跨阻放大器、限幅放大器、直流偏移消除电路和输出缓冲级组成.为获得更高的带宽,本文对Cherry-Hooper结构进行了改进,设计出一种三级级联的限幅放大器,而直流偏移消除电路则使用了差分有源密勒电容(DAMC)来替代传统的片外大电容,提高了电路集成度和稳定性.版图后仿结果表明,在探测器等效电容为300,f F的情况下,光接收机前端电路的跨阻增益为97,d B,-3,d B带宽为11.7,GHz,等效输入噪声电流小于14.2,pA/Hz^(1/2),芯片核心面积为720,μm×700,μm.

基于标准CMOS工艺的非接触式保护环单光子雪崩二极管

基于深亚微米CMOS工艺,设计了一种采用非接触式P阱保护环来抑制边缘击穿的单光子雪崩二极管结构.采用器件仿真软件Silvaco Atlas分析了保护环间距对器件的电场分布和雪崩触发概率等特性的影响,结合物理模型计算了所设计器件的暗计数概率和光子探测效率.仿真和计算结果表明,保护环间距d=0.6μm时器件性能最优,此时击穿电压为13.5V,暗电流为10-11 A.在过偏压为2.5V时,门控模式下的暗计数概率仅为0.38%,器件在400~700nm之间具有良好的光学响应,500nm时的峰值探测效率可达39%.

吸收增强的光栅型金属-半导体-金属光电探测器的优化设计

针对可见光通信对硅基光电探测器高响应度的要求,本文利用亚波长金属光栅的异常光学透射现象,提出一种增强与硅基CMOS工艺兼容的金属-半导体-金属光电探测器吸收的方法。采用时域有限差分法,详细分析了光栅周期、光栅高度和狭缝宽度对探测器吸收性能的影响,证明了类法布里-珀罗共振和表面等离子体激元是吸收增强的物理起源。对于波长615 nm的红光通信而言,探测器金属光栅的最佳周期、最佳高度和最佳狭缝宽度分别为580,91,360 nm。与没有亚波长金属光栅结构的探测器相比,本文设计的探测器吸收系数提高了32%。本文研究的MSM探测器结构与CMOS工艺完全兼容,有望在可见光通信芯片中得到实际应用。

铜互连扩散阻挡层工艺优化

针对金属线间击穿电压小、可靠性差的问题,对铜扩散阻挡层(包括钽阻挡层厚度和氮化硅阻挡层薄膜质量)进行研究优化。使用自对准双重图形(SADP)方法能够使金属互连线的特征尺寸缩小,使得互连线扩散阻挡层的厚度期望降低。通过制备不同厚度的钽阻挡层对金属互连体系电阻和击穿电压做详细对比分析,发现硬质的钽金属对化学机械研磨(CMP)产生影响,导致互连体系电阻和击穿电压随着钽阻挡层厚度减小而增加,过薄的阻挡层会导致阻挡性能降低、整体晶圆均一性变差;铜线界面上存在的氧元素极大地降低了氮化硅的黏附性,影响阻挡层性能。在氨气预处理阶段通入不同流量的氨气,在预沉积阶段改变预沉积时间,增加过渡阶段,通过实验分析氮化硅的黏附性,结果证明:氨气流量的增加、预沉积时间的减少、过渡阶段的增加能提高氮化硅的黏附性,改善了薄膜阻挡能力。

基于循环神经网络的语音增强加速器设计

使用深度学习的语音增强技术能够提升听者的言语识别率,但因神经网络的规模较大难以应用于边缘设备中。因此,提出了一种可用于助听器等边缘设备的循环神经网络语音增强加速器。该加速器将神经网络的计算用独立矩阵乘法硬件实现,并在多层神经网络的层之间实现硬件级的流水操作,通过并行和流水降低了计算延时。实验表明,与带噪语音相比,在volvo、factory2、babble噪声环境下,所提算法的信噪比分别平均提升了17.302 dB、8.412 dB和4.732 dB;短时语音可懂度分别平均提高了1.4%、0.8%和0.4%;语音质量感知评估平均提高了1.498、0.504和0.234;这三项指标均高于所对比的传统语音增强算法与神经网络算法。当时钟频率为10 MHz时,加速器的处理延时为9.2 ms,可以满足边缘侧应用的实时性需求。

传输栅掺杂对CMOS有源像素满阱容量及暗电流的影响

研究了传输栅掺杂,即N+TG和P+TG,对满阱容量以及暗电流的影响。沟道电势分布受传输栅与衬底功函数差的影响,随着钳位光电二极管和浮动扩散节点之间的势垒高度的增加,feedforward效应被抑制,满阱容量增加。另一方面,处于电荷积累状态的沟道可以降低暗电流。基于四管有源像素工作过程进行仿真,结果表明,在曝光期间不加负栅压的情况下,基于P+TG的像素的满阱容量相对N+TG的提高了26.9%,其暗电流为N+TG的0.377倍。当电荷转移效率大于99.999%时,N+TG的开启电压需高于2.3 V,而P+TG的开启电压需高于3.0 V。

SOI基高响应度TFET探测器的设计与仿真

提出一种SOI基的新型隧穿场效应晶体管(TFET)探测器结构,将光电二极管与TFET结合,实现光信号的探测放大.光电二极管的正极与TFET的栅极互连,感光后光电二极管的光生电势调控TFET的沟道势垒,控制TFET的输出电流,实现光信号到电流信号的转化.陡峭的亚阈值摆幅能有效放大输出电流,提高TFET探测器的响应度.应用SILVACO完成探测器结构和性能的模拟仿真.光电二极管的光生电势通过较薄的BOX区形成了TFET的底部栅压,增强了对沟道势垒的控制能力,增大了输出电流,结果表明,探测器对弱光具有较高的响应度,当入射光强小于10 mW/cm^2时,响应度可超过10^4 A/W.此外,通过调整光电二极管的反偏电压、在源区与沟道间插入n^+口袋等方法可显著提高探测器的输出电流和响应度.

高响应度的NMOS型栅体互连光电探测器

针对硅基光电探测响应度低的问题,设计了一款与标准CMOS工艺兼容的、可用于弱光探测的高响应度的NMOS型光电探测器(NMOS-PD).该探测器由栅体互连的NMOS管和T-well/N-well结光电二极管构成,利用光电二极管的光生伏特效应改变T阱电势,进而控制NMOS管的栅压和阈值电压,以此实现光信号的探测与倍增放大,故所设计光电探测器具有更高的光电流增益和更宽的动态范围.经理论模拟计算和优化设计,本文设计了总面积为20μm×20μm的NMOS-PD,选用整个T阱区作为光敏区域(16μm×16μm),以增加光的吸收量,所设计光电探测器经UMC 0.18μm CMOS工艺流片制备.测试结果表明,所设计探测器在400～700 nm波长范围内具有较好的响应度.采用630 nm LED作为光源,当输出光功率密度P_(opt)=5 mW/cm^2、漏源偏压V_(DS)=0.4 V时,NMOS-PD的响应度达到1 550 A/W,并实现了200 kHz的信号探测.尽管随着光强增大,光电探测器响应度逐渐降低,但整体上仍超过10~3A/W.与硅基CMOS工艺制备的传统光电探测器相比,所设计光电探测器结构不仅可在低压、低功耗下正常工作,且在弱光条件下具有极高的倍增放大能力,有望应用于弱光探测的图像传感领域.

用于高精度图像传感器的锁相环

为了提高图像传感器的探测精度,给像素中的传输管提供高精度时钟信号,设计了一款可编程式电荷泵锁相环(Phase-Locked Loop,PLL)模块。该模块使用分频器以输出可调控频率的时钟,增加了复用性;在电荷泵中加入单位增益放大器以消除毛刺,增大了锁相环精度;同时给出了针对整个模块的相位噪声分析。仿真结果表明,当输出200 MHz时钟时,信号的时钟抖动为28 ps,电路工作在1.5 V电压下的功耗<2 mW。该模块已用于一款高精度图像传感器中,在0.11μm CMOS工艺下进行了流片,测试结果表明其可以实现50 MHz到200 MHz的高精度时钟输出,满足了芯片对于时钟的需求。

基于16子带滤波器组的助听器啸叫检测与抑制算法

听力损失患者在使用助听器的过程中,常常因为啸叫问题而倍感苦恼。基于陷波器的啸叫检测与抑制算法通常在DSP上进行实现,存在处理延迟高和资源消耗多的问题。为此,基于16子带的全相位FIR滤波器组,提出了一种低延迟、适合电路化的啸叫检测与抑制算法。对于一个指定的子带信号,当子带-低频平均能量比和子带-全带对数相似度同时大于0时,认为啸叫存在,之后降低该子带信号的增益值以抑制啸叫。仿真结果显示,相比于传统算法,当检测概率为88.57%时,所提算法的误警概率更低;平均最大稳定增益的增量更高,且语音质量感知评估值达3分以上。硬件测试中,系统处理延时为8.535 ms,能够及时地对啸叫进行检测与抑制,满足助听器资源消耗和实时处理的应用需求。

极端温度下功率SiGe HBTs辐照特性研究

为研究不同发射极面积的SiGe HBTs在极端温度下的辐照特性,本文系统地表征了质子辐照前后功率硅锗异质结双极晶体管(SiGe HBTs)在不同温下的辐照特性;揭示发射极面积与功率SiGe HBTs的辐照损伤相关性;对功率SiGe HBTs器件进行建模研究,提取辐照影响器件内部的主要参数;表征了不同条件下辐照前后电子密度变化量(Δedensity)、载流子复合率变化量(ΔSRH recombination)以及载流子迁移率变化量(Δemobility),对辐照影响功率SiGe HBTs的内部物理机制进行系统的分析。研究结果表明,功率SiGe HBTs的发射极面积与质子辐照损伤成正比,性能退化严重;在极端温度下,具有更好的抗质子辐照能力;在抗辐照领域和空间应用等领域有巨大的潜力。

深度学习背景下的图像三维重建技术进展综述

三维重建是指从单幅或多幅二维图像中重建出物体的三维模型并对三维模型进行纹理映射的过程。三维重建可获取从任意视角观测并具有色彩纹理的三维模型,是计算机视觉领域的一个重要研究方向。传统的三维重建方法通常需要输入大量图像,并进行相机参数估计、密集点云重建、表面重建和纹理映射等多个步骤。近年来,深度学习背景下的图像三维重建受到了广泛关注,并表现出了优越的性能和发展前景。本文对深度学习背景下的图像三维重建的技术方法、评测方法和数据集进行全面综述。首先对三维重建进行分类,根据三维模型的表示形式可将图像三维重建方法分类为基于体素的三维重建、基于点云的三维重建和基于网格的三维重建;根据输入图像的类型可将图像三维重建分类为单幅图像三维重建和多幅图像三维重建。随后介绍了不同类别的三维重建方法,从三维重建方法的输入、三维模型表示形式、模型纹理颜色、重建网络的基准值类型和特点等方面进行总结,归纳了深度学习背景下的图像三维重建方法的常用数据集和实验对比,最后总结了当前图像三维重建领域的待解决问题以及未来的研究方向。

一种有源自偏置的Ku波段CMOS低噪声放大器

基于源简并电感共源共栅结构,设计了1种有源自偏置低噪声放大器,既可消除偏置电路功耗,又能克服无源自偏置噪声较高的缺点;另外利用键合线作为高Q值电感元件,进一步降低噪声系数并减小芯片面积.所设计低噪声放大器采用TSMC 0.18μm CMOS工艺进行优化设计并流水制备.仿真结果表明,在12-16GHz频段内,噪声系数NF低于3.2 d B,输入3阶交调点IIP3为1.573 d Bm.研制芯片面积为540μm×360μm,在1.8 V电压下,消耗16 m A电流.结果表明芯片测试实现在12.2-15.5 GHz频段上,输入输出反射性能良好,正向增益S_(21)>6 d B,反向隔离度S_(12)<-32.5 d B.

应用于CIS的高速低功耗LVDS驱动电路设计

随着CMOS图像传感器(CIS)在空间分辨率和时间分辨率的不断提升.CIS的数据量在不断增加;同时,现代社会对低功耗CIS的需求也越来越多.设计了应用于CIS的高速低功耗低压差分信号(LVDS)驱动电路.采用输出摆率控制的电流开关驱动器,该结构不需要在电流开关驱动器的输出端外接匹配电阻实现阻抗匹配.从而减小了电路的功耗;同时利用电流开关驱动器的电流源来实现预加重功能.没有额外的电流源和控制电流源的辅助电路,因此减小了LVDS驱动电路的整体功耗.论文采用0.13μm CMOS工艺绘制LVDS驱动电路的版图,面积为0.025 mm^(2).在不同工艺角、电源电压和温度下后仿结果为:LVDS驱动电路在速率为2 Gbit/s时的最高功耗为23.43 mW,此时在100Ω的终端电阻上的摆幅为439 mV,输出共模电平为1.26 V,抖动为15.0 ps.