高温退火对AlN外延材料晶体质量的影响

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。

基于改进开关可调电容的宽调谐太赫兹频率源设计

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。

基于碳纳米管阵列的高响应光电探测器件

纳米管(Carbon nanotube,CNT)具有纳米级特征尺寸、独特的一维能带结构、极大的比表面积和多种排布形态,吸收波长覆盖太赫兹至紫外波段,吸收率高;半导体型单壁碳纳米管拥有直接带隙,禁带宽度随手性不同在0.1 eV至1 eV以上均有分布,可实现室温弹道输运,是构建片上高响应、超宽带、超快可调光电探测器件的新型潜力材料。南京电子器件研究所采用高纯度半导体型碳纳米管阵列材料设计制备了多种红外—光电探测器件,其中叉指型光电探测器件通过缩短电极间距降低渡越时间提高响应速度、构造功函数不同的非对称电极促进光生空穴—电子对分离提高响应度、增加栅控有效调控多数载流子降低暗电流,实现了300 A/W以上的优异响应度,响应时间<30μs。进一步联合东南大学,首次在碳纳米管光电探测器件中引入硅光波导与金属狭缝结构,激发等离激元局域光场增强与耦合,在1550 nm通信波段获得高响应特性,3dB带宽达15GHz。未来通过构建异质结及叠层结构,有望进一步降低暗电流,并开发取向阵列的偏振敏感特性,助力碳基电子学及光电子学的应用发展。

主题:碳基电子器件及应用

碳基电子技术被认为是“后摩尔时代的颠覆性技术之一”,以三维金刚石、二维石墨烯和一维碳纳米管等为典型代表的碳基电子材料各具优异特性,给新一代射频、太赫兹、高线性以及光电探测传感等器件领域带来了技术创新甚至变革性应用的希望,但是不同碳基材料和器件目前又面临系列的不同技术挑战和难题,远未发挥应有的性能潜力,仍需进一步探索和深入研究,共同寻求突破和解决方案。为探讨碳基电子从材料至芯片层面的关键技术与面临的实际问题,《固体电子学研究与进展》计划开展“碳基电子器件及应用”专题栏目组稿,现向相关专家学者征集该方向的研究论文及展望综述,以促进该领域的技术交流、创新与发展。

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

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。

基于0.15μm SOI工艺的耐高温短沟器件设计与实现

绝缘体上硅(Silicon on insulator,SOI)技术在200~400℃高温器件和集成电路方面有着广泛的应用前景,但对于沟道长度≤0.18μm的短沟道器件在200℃以上的高温下阈值电压漂移量达40%以上,漏电流达μA级,无法满足电路设计要求。本文研究了基于0.15μm SOI工艺的1.5 V MOS器件电特性在高温下的退化机理和抑制方法,通过增加栅氧厚度、降低阱浓度、调整轻掺杂漏离子注入工艺等优化方法,实现了一种性能良好的短沟道高温SOI CMOS器件,在25~250℃温度范围内,该器件阈值电压漂移量<30%,饱和电流漂移量<15%,漏电流<1 nA/μm。此外采用仿真的方法分析了器件在高温下的漏区电势和电场的变化规律,将栅诱导漏极泄漏电流效应与器件高温漏电流关联起来,从而定性地解释了SOI短沟道器件高温漏电流退化的机理。

一种16位电流舵DAC的高精度前台校准方法

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(Digitalto-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。

200 mm高纯半绝缘SiC衬底AlGaN/GaN HEMT外延材料

南京电子器件研究所采用国产200 mm高纯半绝缘SiC衬底,提出衬底高温刻蚀、GaN外延模式调控应力等技术,有效解决了高温下衬底边缘突翘和薄膜异质生长应力大等问题,显著降低了大尺寸外延材料的翘曲度,研制出高质量200 mm SiC衬底AlGaN/GaN HEMT外延材料(图1)。外延材料测试结果表明,二维电子气室温迁移率达到2 231 cm^(2)/(V·s),方块电阻片内不均匀性为2.3%(图2),GaN(0002)和(1012)面XRD摇摆曲线半高宽分别达到143 arcsec和233 arcsec,圆片弯曲度和翘曲度分别达到-18.7μm和27.1μm(图3)。材料显示了优良的结晶质量和电学特性,为GaN微波毫米波功率器件和MMIC应用奠定了良好的技术基础。

1 A/mm高电流密度金刚石微波功率器件

基于自对准栅电极制备技术,研制了具有低导通电阻和高电流密度的氢终端金刚石微波功率器件。采用高功函数金属Au与氢终端金刚石实现了良好的欧姆接触,接触电阻为0.73Ω·mm。得益于较低的源漏串联电阻和低损伤Al2O3栅介质原子层沉积工艺,金刚石微波器件的导通电阻低至4Ω·mm,饱和电流密度达1.01 A/mm,最大跨导为213 mS/mm,最大振荡频率达58 GHz。研究了该器件在2 GHz和10 GHz频率下连续波功率输出特性,发现在15 V低工作电压下即可分别实现1.56 W/mm和1.12 W/mm的输出功率密度,展现出自对准技术在研制高电流和高输出功率金刚石微波器件上的潜力。

用于GaN CMOS集成技术的p型GaN欧姆接触研究

通过金属叠层结构、蒸发-合金工艺条件的优化调整,实现了低接触电阻率、高稳定的p型GaN欧姆接触技术,并研究分析了电极金属在合金过程中的扩散行为。测试结果显示,改进后的p型GaN欧姆接触电阻为11.9Ω·mm,比导通电阻率为3.9×10^(-5)Ω·cm^(2),同时在250℃以内的高温环境中欧姆特性不会发生退化。在此基础上,采用低损伤凹槽栅刻蚀、叠层栅介质沉积等工艺研制出增强型p沟道GaN晶体管器件,器件的阈值电压为-1.2 V(V_(GS)=VDS,IDS=10μA/mm),漏极电流密度为-5.6 mA/mm,导通电阻为665Ω·mm(V_(GS)=-8 V,V_(DS)=-2 V)。优异的p型GaN欧姆接触技术为高性能GaN p沟道器件的研制以及GaN CMOS集成技术的小型化、智能化、高速化发展奠定了重要基础。

4H-SiC CMOS高温集成电路设计与制造

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1.44μs,下降时间为2.17μs,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。

1200V沟槽型SiC MOSEET器件研制

碳作为宽禁带半导体材料的典型代表,碳化硅(SiC)功率器件具有高压,高频、高温,大容量等独特优势,在新能源汽车、光伏逆变、智能电网,雷达通信等领域有着乐观的应用前景。主流SiC MOSFET器件包括平面型和沟槽型,前者受限于较低的沟道迁移率和较大的元胞尺寸,难以充分发挥SiC器件的材料优势,后者将导电沟道由横向改为纵向,既明显改善了沟道迁移率,又大幅提升了沟道密度,使得器件导通电阻显著降低,代表着SiCMOSFET的未来发展方向。

主题:固态太赫兹器件及应用

太赫兹技术被称为“改变世界的十大科技之一”,近年来在雷达、通信、探测、天文、医学生物等多个领域展现出了极高的科学研究和应用价值,逐渐成为学术界和产业界的研究热点。随着半导体制造工艺的不断发展,固态半导体器件在太赫兹“信号产生”与“信号接收”中发挥着重要作用。硅基半导体(如CMOS、SiGe等)器件具有低成本、小型化及高集成度特点,而化合物半导体(如GaAs、InP、GaN等)器件具有优异的高频特性及功率、噪声特性,研究不同的太赫兹器件应用具有重要意义。为进一步探索固态太赫兹器件相关的关键技术并解决其面临的实际问题,《固体电子学研究与进展》计划开展“固态太赫兹器件及应用”专题栏目组稿,现向相关专家学者征集该方向的研究论文及展望综述,以促进该领域的技术交流、创新与发展。

水平结构氢终端金刚石MOSFET的研究进展

氢等离子体处理后的金刚石表面具有导电性,室温下二维空穴气(Two-dimensional hole gas,2DHG)面密度可达1013 cm-2,因此利用氢终端金刚石制备的场效应晶体管成为研究重点。本文基于金刚石优异的物理性质,介绍了两种氢终端金刚石2DHG的形成机理,以耗尽型氢终端金刚石MOSFET为例提出稳定2DHG及提高器件性能的方法,总结增强型氢终端金刚石MOSFET的三种实现方法,并综述氢终端金刚石功率器件研究现状、面临的问题以及对未来发展的展望。

垂直氮化镓沟槽栅极场效应管的优化设计

在传统的氮化镓沟槽栅极场效应管的基础上,通过引入AlGaN层,在异质结界面处形成二维电子气减小器件的导通电阻,并对漂移层的厚度和掺杂浓度进行讨论,使用TCAD软件对器件进行设计优化。最终优化后的漂移层厚度为6μm,掺杂浓度为5×10^(16)cm^(-3)。器件获得了较低的导通电阻R_(on)=0.47 mΩ·cm^(2),较高的击穿电压V_(BR)=2880 V和品质因子FOM=17.6 GW·cm^(-2)。结果显示出了沟槽栅极垂直氮化镓场效应管在高压大电流应用场景下的优势。

基于改进型RBF神经网络的直接数字频率合成器设计

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。

增强型p⁃GaN栅HEMT器件的抗辐照性能研究

为研究应用于宇航领域增强型GaN HEMT器件的抗辐照性能,制备了导通电流为20 A、击穿电压为345 V的增强型p-GaN栅HEMT器件,并分别研究了器件抗总剂量效应能力与抗单粒子效应能力。实验结果表明,研制的增强型p-GaN栅HEMT器件在辐照剂量率为1.55 rad(Si)/s、累积总剂量为300 krad(Si)的条件下,器件的阈值电压保持不变,同时器件在传能线密度为37.3 MeV/(mg·cm^(2))的离子辐照下,仍然实现了大于300 V的击穿电压。表明研制的增强型p-GaN栅HEMT器件具有良好的抗辐照能力。

一种基于GaAs pHEMT工艺的18~40 GHz六位高精度数控移相器

基于0.15μm GaAs pHEMT工艺研制了一款工作频率为18~40 GHz的高精度六位数控移相器芯片。其中5.625°、11.25°和22.5°移相位采用了改进型的串并联电容移相结构,该结构可通过增加串联电感改善移相精度;45°和90°移相位采用了磁耦合全通网络型移相结构;180°移相位使用了基于串并联谐振结构的改进型移相器电路,拓展了移相器带宽,提高了移相精度。移相器芯片的实际加工面积为2.8 mm×1.4 mm。芯片的测试结果表明,在18~40 GHz频率范围内,移相精度均方根误差小于2.3°,移相寄生调幅均方根误差小于0.7 dB,全态损耗小于13.5 dB,全态输入、输出驻波分别小于1.7、1.9。

金刚石色心调控及光学谐振器的研究进展

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。

0.6~18.0 GHz超宽带低噪声放大器MMIC

基于0.15μm 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。