大功率射频Si-VDMOS功率晶体管研制

介绍了大功率射频硅-垂直双扩散金属氧化物场效应晶体管(Si-VDMOS)的研制结果,采用栅分离降低反馈电容技术、多子胞降低源极电感技术等,从芯片原理着手,比较分析两种芯片结构设计对反馈电容的影响,以及两种布局引线对源极电感的影响,并研制出了百瓦级以上大功率射频Si-VDMOS功率晶体管系列产品。产品主要性能如下:在工作电压28 V及连续波下,采用8胞合成时,225 MHz输出功率达200 W以上,500 MHz输出功率达150 W以上;进一步增加子胞数量,采用12胞合成时,225 MHz输出功率达300 W以上,同时具备良好的增益及效率特性,与国外大功率射频Si-VDMOS功率晶体管的产品参数相比,达到了同类产品水平。

重离子辐射对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管低频噪声特性的影响

采用^(181)Ta^(32+)重离子辐射AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管,获得器件在重离子辐射前后的电学特性和低频噪声特性.重离子辐射导致器件的阈值电压正向漂移、最大饱和电流减小等电学参数的退化.微光显微测试发现辐射后器件热点数量明显增加,引入更多缺陷.随着辐射注量的增加,电流噪声功率谱密度逐渐增大,在注量为1×10^(10)ions/cm^(2)重离子辐射后,缺陷密度增大到3.19×10^(18)cm^(-3)·eV^(-1),不同栅压下的Hooge参数增大.通过漏极电流噪声归一化功率谱密度随偏置电压的变化分析,发现重离子辐射产生的缺陷会导致寄生串联电阻增大.

基极触发的雪崩晶体管导通机理

为研究基极触发的雪崩晶体管导通机理,建立了雪崩晶体管(n+⁃p⁃n⁃n+掺杂结构)的准三维器件模型和实验测试电路。研究了雪崩晶体管的温度分布特征,导通结束后器件最高温度约为417 K,位于电流通道内n⁃n+边界处。当集电极电压为300 V、基极触发电压为2.4 V时,仿真和实验获得的脉冲上升时间分别为2.4 ns、2.5 ns,半高宽(FWHM)分别为6.2 ns、5.8 ns,仿真和实验结果基本一致。研究结果表明:高触发脉冲电压幅值会加速晶体管内部电场的重建过程,从而缩短延迟时间,提高晶体管响应速度;负载阻抗会影响器件导通通道尺寸,负载阻抗减小时,电流密度提升,器件通过缩窄通道来提高通道内电流密度,宏观导通电阻降低。

肖特基结多数载流子积累新型绝缘栅双极晶体管

绝缘栅双极晶体管(insulated gate bipolar transistor,IGBT)是现代功率半导体器件的核心,因其良好的电学特性得到了广泛的应用.本文提出了一种具有肖特基结接触的栅半导体层新型多数载流子积累模式IGBT,并对其进行特性研究和仿真分析.当新型IGBT处于导通状态,栅极施加正向偏压,由于肖特基势垒二极管极低的正向导通压降,使得栅半导体层的电压几乎等于栅极电压,从而能够在漂移区中积累大量的多数载流子电子.除了现有的电子外,这些积累的电子增大了漂移区的电导率,从而显著降低了正向导通压降.因此,打破了传统IGBT正向导通压降受漂移区掺杂浓度的限制.轻掺杂的漂移区可以使新型IGBT具有较高的击穿电压,同时减小了关断过程中器件内部耗尽层电容,因此整体米勒电容减小,提升了关断速度,减小了关断时间和关断损耗.分析结果表明,600 V级别的击穿电压时,新型IGBT的正向导通压降,关断损耗和关断时间相比常规IGBT分别降低了46.2%,52.5%,30%,打破了IGBT中正向导通压降和关断损耗之间的矛盾.此外,新型IGBT具有更高的抗闩锁能力和更大的正偏安全工作区.新型结构的提出满足了未来IGBT器件性能的发展要求,对于功率半导体器件领域具有重大指导意义.

SOI晶体管和电路的瞬时电离辐射效应研究

基于全介质隔离的绝缘硅(Silicon-on-insulator,SOI)器件与体硅器件的瞬时电离辐射效应存在差异,采用1 064 nm/12 ns激光装置开展了三种SOI晶体管的激光辐照试验,测试了不同激光能量下的晶体管光电流;采用脉冲γ射线辐射源开展了SOI集成电路的瞬时γ剂量率辐射试验,测试了不同剂量率条件下的电路功能、电参数和触发器链状态。研究表明:在相同激光能量条件和相同特征尺寸条件下,SOI晶体管的光电流峰值约为体硅晶体管的3.5%;SOI集成电路在1.0×10^(9)~4.2×10^(11) rad(Si)·s^(-1)的试验剂量率范围内无闭锁效应,但存在显著的翻转效应,表现为功能短暂中断、电流和电压波动以及大量触发器状态错误。翻转效应的主要原因包括晶体管本身的翻转和印刷电路板(Printed Circuit Board,PCB)板级电路的电压波动。

新型载流子积累的逆导型横向绝缘栅双极晶体管

通过引入n^(+)阳极在体内集成续流二极管的逆导型横向绝缘栅双极晶体管(reverse-conducting lateral insulated gate bipolar transistor,RC-LIGBT)可以实现反向导通,并且优化器件的关断特性,是功率集成电路中一个有竞争力的器件.本文提出了一种新型载流子积累的RC-LIGBT,它具有电子控制栅(electron-controlled gate,EG)和分离短路阳极(separated short-anode,SSA),可以同时实现较低的导通压降和关断损耗.在正向导通状态,漂移区上方的EG结构可以在漂移区的表面积累一个高密度的电子层,从而大大地降低器件的导通压降.同时,SSA结构的使用还极大优化了器件的关断损耗.另外,低掺杂p型漂移区与SSA结构配合,可以简单地实现反向导通并且消除回吸电压.仿真结果表明,所提出的器件具有优秀的导通压降与关断损耗之间的折衷关系,其导通压降为1.16 V,比SSA LIGBT低55%,其关断损耗为0.099 mJ/cm^(2),比SSA LIGBT和常规LIGBT分别低38.5%和94.7%.

氧化锌锡薄膜晶体管的制备与性能研究

为了提高薄膜晶体管的性能,本文基于射频磁控溅射技术,采用氧化锌锡(ZTO)材料作为沟道层,在SiO2/p-Si衬底上制备高性能ZTO薄膜晶体管。采用AFM、XRD、UV-Vis研究了溅射功率对ZTO薄膜的表面形貌和光学性能的影响。使用半导体参数仪对ZTO薄膜晶体管进行电学性能的测试,利用XPS分析研究溅射功率对ZTO薄膜中元素组成和价态的影响,探索高性能薄膜晶体管的原理机制。实验结果表明,所有ZTO薄膜样品是非晶结构,表面致密,透光率均大于90%。适当增加溅射功率能够改善ZTO薄膜晶体管的电学性能。在90 W溅射功率下制备的薄膜晶体管综合性能较好,其饱和迁移率达到了15.61 cm^(2)/(V·s),亚阈值摆幅为0.30 V/decade,阈值电压为-5.06 V,电流开关比为8.92×10^(9)。

基于薄膜晶体管的铁电/驻极体协同有机光电突触

基于薄膜晶体管结构,在铁电突触晶体管的基础上,增加了驻极体这一功能层,制备出一种铁电/驻极体突触晶体管。与传统的铁电突触晶体管相比,其开关比增大了一个数量级,阈值电压减少了10 V。薄膜表面的均方根粗糙度从2.95 nm降到0.66 nm,有利于载流子的传输。同时,在不同颜色的光照下,该器件呈现出4种不同的突触状态,多级光电突触的功能使其有望降低神经网络的复杂性。

雪崩晶体管电压斜坡触发模式下终端失效机理研究

随着超宽带脉冲信号系统在新能源汽车智能化感知技术等许多重要领域的应用,高幅值、快前沿脉冲源的研发得到了广泛研究。针对纳秒级前沿脉冲对超快功率半导体开关的需求,进行了雪崩晶体管在电压斜坡触发模式下终端失效机理的研究。利用仿真模型的静态特性与器件样品进行对比分析,测试了器件样品的动态开通特性。在成功得到纳秒级开通速度器件的基础上,对器件在电压斜坡触发模式下出现的失效现象进行了分析。

喷墨打印高迁移率铟锌锡氧化物薄膜晶体管

采用喷墨打印工艺制备了铟锌锡氧化物(indium-zinc-tin-oxide,IZTO)半导体薄膜,并应用于底栅顶接触结构薄膜晶体管(thin-film transistor,TFT).研究了墨水的溶剂成分以及溶质浓度对打印薄膜图案轮廓的影响.结果表明二元溶剂IZTO墨水中乙二醇溶剂可有效平衡溶质向内的马兰戈尼回流与向外的毛细管流,避免了单一溶剂墨水下溶质流动不平衡造成IZTO薄膜的咖啡环状沉积轮廓图案,获得均匀平坦的薄膜图案轮廓和良好接触特性,接触电阻为820Ω,优化后IZTO TFT器件的饱和迁移率达到16.6 cm^(2)/(V·s),阈值电压为0.84 V,开关比高达3.74×10^(9),亚阈值摆幅为0.24 V/dec.通过打印薄膜凝胶化模型解释了IZTO墨水溶剂成分、溶质浓度与最终薄膜形貌的关系.

纤维晶体管器件研究进展

在学科高度交叉、技术深度融合、物联网、人工智能、类脑计算等新兴产业迅猛发展的时代背景下,传统携带式可穿戴电子设备已难以满足人们对高性能电子纺织品的需求。为全面探究纤维晶体管在电子织物领域的应用前景,首先简述了纤维晶体管的组成、分类与工作原理,重点介绍了纤维基有机场效应晶体管和纤维基有机电化学晶体管;其次,介绍了纤维晶体管器件在智能可穿戴和植入式生化传感器、忆阻器和人工突触类脑计算神经形态器件、逻辑电路等前言领域的研究进展;分析了纤维晶体管在器件集成、性能优化和实际应用等方面所面临的问题与挑战。研究指出纤维晶体管在推动电子织物、人机交互、智慧医疗等国家战略产业发展和驱动人类社会迈向泛智能时代中的应用前景,期望为下一代高性能纤维晶体管的发展提供借鉴与启发。

侧栅晶体管太赫兹探测器的物理模型、结构制备与直流测试

针对侧栅结构高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistors,HEMTs)太赫兹探测器,构建了器件的直流输运和太赫兹探测的物理模型。运用自对准工艺,成功制备了形态良好、接触可靠的侧栅结构,有效地解决了器件双侧栅与台面间的接触问题,最终获得了不同栅宽(200 nm、800 nm和1400 nm)的侧栅GaN/AlGaN HEMT太赫兹探测器。通过直流测试表征发现,不同器件的栅宽与其阈值电压之间呈现出明显的线性关系,验证了侧栅结构HEMT太赫兹探测器的直流输运模型。上述结果为完整的侧栅HEMT太赫兹探测器的理论模型提供了实验验证和指导,为侧栅HEMT太赫兹探测器的发展提供了重要支持。

石墨烯场效应晶体管的X射线总剂量效应

本文针对不同结构、尺寸的石墨烯场效应晶体管(graphene field effect transistors,GFET)开展了基于10 keV-X射线的总剂量效应研究.结果表明,随累积剂量的增大,不同结构GFET的狄拉克电压V_(Dirac)和载流子迁移率μ不断退化;相比于背栅型GFET,顶栅型GFET的辐射损伤更加严重;尺寸对GFET器件的总剂量效应决定于器件结构;200μm×200μm尺寸的顶栅型GFET损伤最严重,而背栅型GFET是50μm×50μm尺寸的器件损伤最严重.研究表明:对于顶栅型GFET,辐照过程中在栅氧层中形成的氧化物陷阱电荷的积累是V_(Dirac)和μ降低的主要原因.背栅型GFET不仅受到辐射在栅氧化层中产生的陷阱电荷的影响,还受到石墨烯表面的氧吸附的影响.在此基础上,结合TCAD仿真工具实现了顶栅器件氧化层中辐射产生的氧化物陷阱电荷对器件辐射响应规律的仿真.相关研究结果对于石墨烯器件的抗辐照加固研究具有重大意义.

高精度固态调制器绝缘栅双极晶体管驱动电路

加法器式固态调制器是一种使用绝缘栅双极晶体管(IGBT)控制储能电容放电来产生脉冲高压的装置,相比传输线型调制器,具有模块化、稳定性好、寿命长等优势。但IGBT的正常工作需要利用栅极驱动电路将控制信号进行放大才能实现,驱动电路的性能直接影响IGBT的开关特性,最终影响脉冲电压质量,尤其是驱动电路的导通抖动指标,这是影响脉冲电压精度的关键因素之一。根据加法器式固态调制器中IGBT的工作特性,以提高脉冲电压精度为目标,对驱动电路进行研究。分析了开关抖动对输出电压精度的影响,介绍了设计原理,研制了驱动电路板,并利用放电模块对其工作性能进行了实验测试。测试结果表明,该款驱动电路的导通抖动为300 ps,相比1 ns的商用驱动电路抖动压缩至1/3,在1 kV充电电压下,放电模块在0.5Ω的负载上放电,形成上升时间为500 ns、导通抖动峰、峰值在5 ns以下的脉冲电压,当发生退饱和故障时,驱动电路能够在4μs时间内关断IGBT,该款驱动电路满足高精度固态调制器的工作要求。

共混诱导制备圆偏振光突触晶体管

集成圆偏振光(CPL)识别及记忆学习功能的光子人工突触(PAS)器件对高级神经形态视觉系统具有重要价值。本文通过简单的共混策略及器件多层结构设计,制备了可见光范围内的CPL突触晶体管器件。实验证明,通过手性小分子(4-[[4-(己氧基)苯甲酰基]氧基]-1,1’-[1,1’-联萘]-2,2’-二酯)苯甲酸(S6N)或(R)-(9CI)-4-(己氧基)-[1,1’-联萘]-2,2’-二(氧羰基-4,1-亚苯基)苯甲酸(R6N)与聚(9,9-二辛基芴-2,7-二基)(PFO)共混制备的薄膜经过手性诱导和退火后具有强烈的手性光学活性。以该共混膜为手性层、联噻吩-氮杂异靛蓝-含氮苯并二呋喃二酮给体-受体共轭聚合物(C13P3.75)为电荷传输层,制备的双层光电晶体管能够在405 nm CPL照射下进行多种生物突触行为的模拟。成功模拟了兴奋性突触后电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)及短期记忆(STM)到长期记忆(LTM)的转变。实验结果表明,制备的有机场效应晶体管(OFET)器件具有优异的CPL区分能力,对405 nm CPL的光电流不对称因子达到了-0.492。

基于栅极功能化捕获甲胎蛋白的溶液栅控石墨烯晶体管生物传感器

甲胎蛋白(AFP)被认定为肝癌的生物标志物,因此开发出一种操作简单、灵敏度高的AFP检测手段对肝癌的检测具有重要的临床意义。本研究设计了无标记电位型溶液栅石墨烯晶体管(SGGT)生物传感器,在栅电极上电沉积纳米金用来捕获抗体AFP,使用牛血清白蛋白(BSA)来封闭活性位点,最终抗原AFP被抗体特异性识别结合在电极上。在该研究中,抗体AFP、BSA和AFP的等电点均小于中性的PBS测试液,因此带负电荷,导致界面电势发生变化,最终引起转移曲线中性点的偏移。实验表明该生物传感器对甲胎蛋白的检测具有较好的线性关系:ΔI_(DS)=45.42lg c+4.98,在5~200 ng/mL的检测范围内,检测限低至1.00 ng/mL。该方法为甲胎蛋白的检测分析提供了一个可行的方法,并期望构建便携式传感器,实现高通量的分析检测。

NPN型双极晶体管中子位移损伤差异实验研究

利用西安脉冲反应堆(Xi’an pulsed reactor,XAPR)的稳态中子对NPN型双极晶体管(NPN bipolar junction transistor,NPN-BJT)进行中子辐照实验,开展NPN-BJT不同固定发射极电流I_(E)条件下的中子位移损伤差异研究。研究结果表明:同一I_(E)条件下,集成NPN-BJT与2N2222A NPN-BJT的电流增益退化都随辐照中子注量的增加呈逐渐增强趋势;在同一中子注量辐照下,随双极晶体管固定I_(E)的增大,中子辐射损伤常数K_(τ)降低,中子辐照前后电流增益的变化量减小,晶体管电流增益退化程度减弱,因此在一定范围内,提高固定I_(E)可在一定程度上增强NPN-BJT抗中子辐射能力。

基于锗硅异质结双极晶体管的低噪声放大器及其反模结构的单粒子瞬态数值仿真研究

针对锗硅异质结双极晶体管(SiGe HBT)进行TCAD仿真建模,基于SiGe HBT器件模型搭建低噪放大器(LNA)电路,开展单粒子瞬态(SET)的混合仿真,研究SET脉冲随离子不同LET值、入射角度的变化规律.结果表明:随着入射离子LET值的增大,LNA端口的SET脉冲的幅值增大,振荡时间延长;随着离子入射角的增大,LNA端口的SET脉冲的幅值先增大后减小,振荡时间减小.使用反模(IM)共射共基结构(Cascode)降低LNA对单粒子效应的敏感度,验证了采用IM结构的LNA电路的相关射频性能.针对离子于共基极(CB)晶体管、共发射极(CE)晶体管两种位置入射进行SET实验.实验结果与本实验中的正向模式相比,IM Cascode结构的LNA电路的瞬态电流持续时间明显减少,并且峰值减小了66%及以上.

应力调控下基于Skyrmion的晶体管特性

研究了不同应力、磁各向异性常数对电流驱动Skyrmion的动力学特性影响。随着施加应力增大,能够产生稳定Skyrmion的各向异性常数取值范围的上下限增大,即外加应力影响电流驱动时Skyrmion运行的稳定性。设计了一种宽-窄-宽型Skyrmion基晶体管,通过调控应力和各向异性常数来调控晶体管的开关特性。仿真结果表明,当极化电流密度、各向异性常数变化时,晶体管导通状态对应的应力范围也随之变化。研究结果为设计Skyrmion基晶体管及相关逻辑功能器件提供了新思路。

IGZO薄膜晶体管生物传感器无标记检测强直性脊柱炎

为了快速检测强直性脊柱炎血清学分子标志物人体白细胞抗原(HLA-B27),开发了一种基于人体白细胞抗原B27(HLA-B27)功能化的氧化铟镓锌(IGZO)薄膜晶体管生物传感器。利用射频磁控溅射技术和微纳加工工艺制备了IGZO薄膜晶体管(IGZO TFT),采用3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)和抗体对IGZO TFT进行修饰,制备出针对HLA-B27检测的生物传感器。实验结果表明,功能化的IGZO TFT生物传感器具有稳定的电学特性和传感性能。传感器对HLA-B27的检测极限为1 pg/mL,在1 pg/mL至100 ng/mL的范围内均有良好的线性响应。这说明所设计的高性能生物传感器能够有效检测出强直性脊柱炎的标志物。此外,IGZO TFT可以扩展为传感器阵列平台,实现对某种疾病多种标志物的联合检测,在便携式床旁诊断设备的应用中具有巨大潜力。