2021年2期 - 电子元件与材料

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2021年2期

综述与评论

Si基GaN射频器件研究进展
作者房柏彤, 朱广润, 张凯, 等.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 111-118. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1550
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针对低成本、大尺寸的GaNHEMT技术,回顾了近年来Si基GaN射频器件在大尺寸材料外延生长、器件制备工艺与单片集成电路等方面的国内外研究进展,指出推进其发展的重要意义,并分析了抑制射频损耗、无金欧姆接触及复合钝化等技术难点,阐明了具有研究前景的优化及发展方向。基于高阻Si衬底上AlGaN/GaNHEMT结构,通过调控C掺杂技术得到了较低的射频损耗,研制出V型栅结构的Si基GaN射频器件,10GHz下的线性增益达12.3dB,P_out为3.6W/mm,PAE约为45%。分析表明,随着材料与器件等基础问题的解决,未来Si基GaN射频器件在5G应用、低成本雷达等领域拥有巨大的发展前景。

具有多场限环终端的PiN二极管反向击穿的研究
作者刘晓忠, 汪再兴, 孙霞霞, 等.
来源电子元件与材料, 2021,40(2):119-123. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1632
场限环终端结构可以有效提高击穿电压,因而被广泛应用于半导体功率器件。场限环中多个参数都影响PiN二极管主结的击穿能力。本文基于数值模拟软件建立PiN二极管的场限环终端仿真模型,并设计十道场限环作为终端结构。分别仿真场限环结深和漂移区掺杂浓度与主结的击穿电压的关系,得到结深和漂移区掺杂浓度与击穿电压的关系曲线。当漂移区掺杂浓度一定时,PiN二极管主结击穿电压随结深的增大而增大;当结深保持不变时,PiN二极管主结击穿电压随漂移区掺杂浓度的增大而减小。随后提取击穿时的电场分布,并分别从结表面和结曲面的峰值电场、电场分布均匀度两个方面分析击穿原理。

锑基异质结晶体管的总剂量效应和低剂量率损伤增强效应
作者杨桂霞, 庞元龙, 王晓东, 等.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 124-130. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1680
锑化物异质结晶体管是新型的高速低功率电子器件,航天上具有良好的应用前景,但是对其耐辐照能力的研究并不深入。本文利用低频噪声和霍尔效应首次研究了分子束外延生长的锑基异质结晶体管在1.95×10^-1Gy·s^-1和1.50×10^-2Gy·s^-1低剂量率下的γ辐照效应。结果显示,在300Gy(Si)~1500Gy(Si)总吸收剂量范围内,表征缺陷浓度的噪声功率谱密度较之辐照前变小,辐照前后噪声功率谱密度差值随着吸收剂量的增大而缓慢增大,噪声功率谱密度、载流子迁移率和载流子浓度在不同的吸收剂量率之间没有明显差异。上述结果表明γ辐照下锑基异质结晶体管未表现出明显低剂量率损伤增强效应,虽然存在微弱的总剂量效应,但是总体而言γ辐射使得锑基异质结晶体管性能变得更为优良,其载流子迁移率较之辐照前增大了1.35%~6.48%,载流子浓度较之辐照前增大了1.43%~6.88%

La-C共掺ZnO的电子结构和光学性质的**性原理研究
作者赵志峰, 王海芳, 张天玑, 等.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 131-136. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1601
基于密度泛函理论的**性原理,使用GGA+U方法计算出La、C分别单掺ZnO及La-C共掺ZnO晶体的形成能、能带结构、态密度及光学性质。结果表明,共掺体系比单掺体系的形成能更小,因此更容易形成;掺杂后的能级数量变多,C单掺和La-C共掺体系中出现了杂质能级,使原来较宽的禁带被分割为较小禁带,因而电子跃迁所需能量变小;掺杂体系吸收光谱的吸收带边均发生红移,增加了对可见光的响应范围。

基于三参数威布尔函数法的光电器件寿命快速评估模型及其应用
作者张建平, 张蓓.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 137-143. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1106
针对光电器件实现产业化面临的可靠性问题,将亮度作为性能退化指标,开展了多组恒定应力下的加速退化试验。基于测试器件的亮度衰减数据,采用三参数威布尔函数和右逼近法并结合寿命与应力之间的内在联系构建了一种加速性能退化的寿命快速评估模型。以电子显示器件VFD为试验对象,计算了正常应力水平下的平均寿命,实现了模型的应用及精度评价。结果表明,设计的四组加速退化试验方案合理,寿命快速评估模型无需借助周期长的常规寿命试验便能快速地获得产品正常应力下的亮度变化轨迹及寿命信息,这对光电器件可靠性评估及产品质量管理有一定的指导意义。

Zn0.15Nb0.3Ti0.55-x(Co1/3Nb2/3)xO2陶瓷的微波介电性能研究
作者张文娟.
来源电子元件与材料, 2021, 40 (2): 144-149. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1624
采用固相烧结法制备Zn0.15Nb0.3Ti0.55-x(Co1/3Nb2/3)xO2(x=0,0.05,0.15,0.25,0.35,0.4,0.45,0.55)陶瓷,研究了(Co1/3Nb2/3)4+取代Ti4+对陶瓷的物相、微观形貌和微波介电性能的影响。实验结果表明,当(Co1/3Nb2/3)4+取代量x≤0.05时,Zn0.15Nb0.3Ti0.55-x(Co1/3Nb2/3)xO2陶瓷表现出纯的金红石Zn0.15Nb0.3Ti0.55O2相;当(Co1/3Nb2/3)4+取代量x>0.15时,有第二相ZnTiNb2O8和ZnNb2O6生成。陶瓷的Q×f值随x的增大而提高,介电常数(εr)和谐振频率温度系数(τf)则随ZnTiNb2O8和ZnNb2O6的增多而逐渐降低。当x=0.4时,Zn0.15Nb0.3Ti0.55-x(Co1/3Nb2/3)xO2陶瓷在1075℃下烧结获得**的微波介电性能:εr=35.44,Q×f=25862GHz(f

聚苯胺/木素复合膨胀剂的制备及其在铅酸电池中的应用
作者陈远强.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 150-155. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1818
制备了聚苯胺/木素复合膨胀剂并应用于铅酸电池的负极中,研究了聚苯胺的含量对复合膨胀剂电化学性能及铅酸电池高倍率部分荷电状态(HRPSoC)下循环寿命的影响。结果表明聚苯胺/木素复合膨胀剂相对于木素,具有更高的析氢过电位。复合膨胀剂应用于铅酸电池负极中,改善了负极在高倍率部分荷电状态下运行的“硫酸盐化”问题,延长了铅酸电池的循环寿命。当聚苯胺/木素复合膨胀剂中聚苯胺与木素的质量比为2∶1时,铅酸电池的循环寿命高达2516次,比仅用木素作为膨胀剂的电池提高了2倍以上。

络合剂DTPA-5K在集成电路阻挡层CMP中的应用及机理分析
作者霍兆晴, 牛新环, 刘玉岭, 等.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 156-162. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1771
为了提高阻挡层化学机械抛光(CMP)的去除速率选择比,提出一种添加剂二乙烯三胺五乙酸五钾(DTPA-5K),研究它在含双氧水(H2O2)的抛光液中对材料去除速率的影响,并通过X射线光电子能谱(XPS)和离子间的相互作用分析了相关去除机理。结果表明:DTPA-5K既可作为铜(Cu)的络合剂,同时也可作为介质(TEOS)促进剂,显著地提高两种材料的去除速率。此外,抑制剂1,2,4-三氮唑(TAZ)的引入抑制了铜的去除速率而对介质无影响,进而提高了速率选择比。使用优化后的抛光液抛光后,介质和铜去除速率分别达到了107.4nm/min和54.9nm/min,选择比为1.96,基本符合工业要求。最后,对平坦化性能进行测试,结果显示,抛光45s后,碟形坑深度由112.9nm修正为55.8nm,腐蚀坑深度由55.6nm修正为19.7nm,且表面粗糙度由3.35nm降低到1.08
nm,表现出良好的抛光性能和表面质量。

基于超表面的宽带高效线极化转换器设计
作者汪竹, 罗燕, 寇家琪, 等.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 163-167. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1432
面向大带宽、高效率及小型化的极化转换器的应用需求,提出了一款高效宽频带反射型超表面线极化转换器。基于极化转换机理分析,在“H”型和开口环结构基础上,完成了一款“H”型开口环与椭圆金属片叠加的超表面极化转换器设计。在开口环结构对角线方向将开口环连接起来,使其在对角连接线上产生强烈电磁谐振,并利用圆弧渐变结构,进一步提高极化转换效率,扩展带宽。研究结果表明,极化单元在9.7~22.3GHz频段内可实现95%的高效宽带x-y线极化转换效率。同时,该设计具有结构简单、易于加工等特点,可满足信息通信、测量以及成像等领域的应用需求。

一种确定磁环天线**接收效益线圈参数的方法
作者叶晟, 胡淼, 张春洋, 等.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 168-172. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1637
研究了用于雷电测向的正交磁环天线(OMLA)的低频电磁脉冲接收特性,提出了一种确定磁环天线接收效益达到**时线圈参数的方法。实验通过测量不同参数磁环天线对低频电磁脉冲信号激励下接收到的感应电动势,分析了影响正交磁环天线接收特性的参数,包括线圈尺寸、匝数等。引入频率比例系数η、集肤效应损耗系数K_j和邻近效应系数K_x,理论计算了不同参数磁环天线对低频电磁脉冲信号激励下10~400kHz分频率信号的接收效益分布。结果表明,用此方法可确定不同参数正交磁环天线接收效益达到**时的线圈匝数。

用于耦合回旋管信号的过渡电路设计
作者何婷婷, 李少甫, 唐家轩, 等.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 173-178. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1869
基于悬置微带线在太赫兹电路中的应用需求,设计了一种工作频率为1THz的新型悬置微带线-E面喇叭天线过渡结构,用于接收/发射太赫兹回旋管信号并实现信号在不同媒介中高效率转换,过渡部分采用E面探针耦合形式,利用渐变线结构实现阻抗匹配。最终仿真结果为:0.96~1.06THz频率范围内,回波损耗优于10dB,频率为1THz时,回波损耗为23dB,天线增益接近14dB。这种结构在信号传输时具有低损耗、结构紧凑、带宽宽等特点,一定程度上拓宽了传输线及天线在太赫兹高频段的应用范围。

基于非对称耦合线的小型宽带阻抗匹配器设计与实现
作者魏曦东, 肖灯军.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 179-184. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1738
阻抗匹配是微波电路设计中的重要环节。阻抗匹配器通常为窄带匹配且电路尺寸较大。非对称耦合线设计参数较多,相比于对称耦合线在设计上具有更大的自由度,因而可以达到更好的性能。基于非对称耦合线开发电路元件成为近几年研究的热点。所提出的基于非对称耦合线的阻抗匹配器设计方案,通过在耦合线之间引入反馈环节实现宽带匹配,并采用集总元件对传输线进行等效,缩小了电路尺寸、增大了匹配带宽,同时也提高了匹配器的可调节性。最后,对实际电路进行加工与测试,测试结果表明所设计的阻抗匹配器相对带宽可达50%以上,尺寸仅为7mm×10mm,可用于改善射频链路中元件之间的级间匹配。该匹配器在通带内可改善回波损耗6dB,插入损耗为0.2~0.5dB。

基于开路枝节加载SIR的双频滤波器和滤波天线设计
作者严冬, 郭保仓, 潘帅宇, 等.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 185-193. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1528
在传统SIR的基础上,通过在谐振器中心加载开路枝节形成双模谐振器,并由邻近缝隙耦合馈电引入传输零点,设计出一款双频滤波器。在此滤波器基础上,将双频天线作为滤波器的第三阶谐振器,实现双频滤波天线的设计。利用奇偶模理论分析其谐振特性,将新型谐振器进行耦合,最终得到了中心频率为2.45GHz/5.2GHz、插入损耗为0.96dB/1.16dB的双频滤波器;以及中心频率为2.45GHz/5.2GHz,最小反射系数为-14.7dB/-18.7dB、**增益为3.5dBi/2.7dBi的双频滤波天线。该双频滤波器和滤波天线结构简单,效果良好,具有一定的工程应用价值。

基于正六边形QMSIW 的小型化双通带滤波器设计
作者郑晓缘, 雷涛, 向天宇, 等.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 194-198.DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1440
为满足多业务无线通信系统对射频器件高性能、小型化的应用需求,提出了一种基于正六边形四分之一模基片集成波导(QMSIW)加载对称微带开路枝节(MOS)结构的小型化双通带滤波器。利用两个QMSIW谐振腔的基模和一对MOS谐振器的准TEM模可分别形成两个相对独立的通带,测得该双通带滤波器中心频率位于5.39GHz和10.12GHz,3dB带宽分别为11.48%和4.34%。通过模式交叉耦合、缝隙混合耦合在6.78,8.75和11.68GHz处产生3个传输零点,显著提高了滤波器的选择性和带外抑制度。该滤波器有效尺寸约为0.63λ_g×0.34λ_g,相较于传统设计减小了75%。最终的测试结果和仿真结果基本一致,证明了该设计方法的可行性。

面向Sub6G终端设备的三频天线设计
作者周云艳, 赵年顺.
来源电子元件与材料, 2021, 40(2): 199-204. DOI:10.14106/j.cnki.1001-2028.2021.1444
为满足我国现行5G通信要求,设计了一款工作在三个频段的终端设备天线。该天线采用平面单极子结构,辐射贴片上设置两个枝节实现高频和中频覆盖,并对中频长枝节进行了Z型弯折,高频枝节采用了L型弯折。同时在地板上增加了一个倒L型枝节,谐振在更低频段。天线刻蚀在FR4介质基板上,对天线进行了仿真加工与测试。结果表明,天线尺寸为25mm×25mm×0.8mm,工作频段为2.38~2.68GHz(共300MHz),3.25~3.63GHz(共380MHz),以及4.45~5.26GHz(共810MHz),在三个中心频点处的增益分别为1.51,2.77和3.55dBi。三个频点处的方向图近似圆形,具有较好的全向性。该三个频段能够覆盖我国目前为移动运营商分配的Sub6G中n41/n78/n79频段,天线能够满足Sub6G终端设备的通信需求。

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