专家视点
1 富勒烯在钙钛矿太阳能电池中的创新应用
钙钛矿太阳能电池（Perovskite Solar Cells, PSCs）作为新兴的光伏技术，因其优异的光吸收性能和快速提升的光电转换效率，近年来成为太阳能领域的研究热点。基于有机-无机混合铅卤钙钛矿材料，PSC的能量转换效率已接近27%，媲美传统硅基太阳能电池，显示出巨大的应用潜力。然而，钙钛矿材料在长期热、湿工作环境下的稳定性问题，依然制约其商业化进程。传统钙钛矿器件中广泛使用的富勒烯材料（如C60及其衍生物PCBM）作为电子传输层，虽然有效提升了电荷提取效率，但其与钙钛矿界面的弱范德华力导致界面缺陷产生和机械性能退化，限制了器件的长期稳定性。因此，如何通过设计创新的富勒烯基材料，实现高效电子传输同时显著增强钙钛矿界面的稳定性，成为提升PSC性能和寿命的关键挑战。
近日，中国科学院大学孟祥悦教授课题组与中国科学院化学研究所王春儒教授课题组总结了富勒烯材料在钙钛矿太阳能电池中的最新创新应用，特别聚焦于界面工程技术在提升效率和稳定性方面的突破。其中，一项前沿研究报道了一种磁性内嵌金属富勒烯（Nd@C82）与聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）聚合物复合形成的界面层。该复合层不仅加速电子传输，还在分子界面产生电磁耦合作用，促进电荷分离与提取，同时通过聚合物矩阵阻隔水分和抑制离子迁移，实现了钙钛矿活性层的原位封装。该技术使得钙钛矿电池达到26.78%的高效率（认证效率26.29%），且在65 ℃持续运行2500小时后，器件效率仍保持约82%；更在严苛的湿热测试中表现出超越传统C60层的稳定性。另一创新策略为对富勒烯分子本体进行化学改性，开发出一种含离子基团的新型富勒烯盐（CPMAC）。该材料通过离子键与钙钛矿界面紧密结合，大幅提升界面机械强度和电子耦合，显著降低界面缺陷和非辐射复合。基于CPMAC的钙钛矿电池最高转换效率达约26%，较纯C60提升0.6个百分点，在长期热湿稳定性测试中，性能下降仅为C60器件的三分之一。即使在大面积mini模块中，CPMAC同样带来了效率和稳定性的双重提升。两种策略均突破了传统富勒烯材料表面惰性、界面弱结合的瓶颈，实现了电子传输与界面稳定性的协同优化。Nd@C82-PMMA层既是高效的电子传输通道，也是纳米级封装体；CPMAC离子键合层则赋予界面卓越的机械完整性。相比之下，纯聚合物层通常阻碍电子传输，未改性的C60则易形成复合缺陷，两者均需额外封装以延长寿命。
富勒烯基界面材料的创新设计为钙钛矿太阳能电池在效率与稳定性上的突破提供了重要路径。利用金属内嵌富勒烯实现界面多功能协同，或通过分子化学修饰增强界面键合，均展示出提升器件性能的巨大潜力。这不仅助力钙钛矿光伏技术的实用化进程，也为其他光电器件的界面工程提供了借鉴。未来研究可进一步拓展多功能富勒烯复合材料的开发，探索其与不同钙钛矿体系的兼容性及在大面积、柔性光伏中的应用。同时，深入理解界面物理化学机制，将促进更高效、更耐用钙钛矿太阳能电池的诞生，推动绿色可再生能源技术迈向新高度。
图1. （a）C60与CPMAC在钙钛矿表面相互作用的比较。（b）和（c）分别为不同结构p–i–n钙钛矿太阳能电池的电流密度-电压（J–V）特性曲线：FTO/HTL/钙钛矿/C60/ALD-SnOx/Ag（b）和FTO/HTL/钙钛矿/CPMAC/ALD-SnOx/Ag（c），插图中显示了在AM 1.5 G光照条件下对应的光伏参数。器件面积为0.059 cm2。（d）未封装PSC器件在连续1太阳强度照射下的运行稳定性对比。C60基器件的初始光电转换效率（PCE）为24.3%，CPMAC基器件为25.5%[20]。版权所有2025，美国科学促进会。
该文章以题为“Innovative applications of fullerenes in perovskite solar cells”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Innovative applications of fullerenes in perovskite solar cells
Tianhua Liu, Xiangyue Meng, and Chunru Wang
J. Semicond. 2025, 46(6), 060401 doi: 10.1088/1674-4926/25050007
专题前言
2 集成电路技术与应用（ICTA 2024）专题前言
本期专题收录了2024年IEEE集成电路技术与应用国际会议（IEEE International Conference on Integrated Circuits Technologies and Applications, ICTA 2024）部分重要文章的扩展成果。该会议于 2024年10月25日至27日在杭州召开。IEEE ICTA是IEEE在中国集成电路领域的旗舰会议，为该领域专家提供了一个分享前沿技术的交流平台。技术委员会和评委会从115篇会议文章中，遴选出4篇高质量文章推荐至本专题，内容涵盖射频集成电路、模拟集成电路和有线集成电路等技术领域。
1. 射频集成电路 (RF IC)
第一篇RF IC领域的文章来自浙江大学，介绍了一种用于长期监测食品生产环境的无电池无线温度传感芯片。有别于传统方案中基于模数转换器（ADC）的高功耗电路，该芯片提出了一种基于校准振荡器的CMOS温度传感器。此外，由于传感器芯片能够获取来自远端读写器传输的能量，因此无需使用电池。该温度传感芯片采用55 nm CMOS工艺制造，读写器芯片采用65 nm CMOS工艺。实验结果表明，在25 °C至50 °C的温度范围内，通过远端读写器进行无电池读取时，温度测量误差为±1.6 °C。
第二篇文章来自清华大学，介绍了一种适用于毫米波应用的、采用分布式阻抗倒相网络（IIN）的双向串联多尔蒂功率放大器（DPA）。通过引入分布式IIN，实现了宽带线性度以及功率回退（PBO）效率的提升。基于65 nm CMOS工艺，该设计实现了实测3 dB带宽为15.5 GHz，在34.2 GHz处具有21.2 dB的峰值小信号增益。在21至30 GHz频段内，其输出1 dB压缩点（OP1dB）超过13.4 dBm，饱和输出功率（Psat）超过16 dBm。在27 GHz下，对于200 MHz 64-QAM OFDM信号和2 GHz 16-QAM OFDM信号，在不使用数字预失真（DPD）和均衡的情况下，其误差矢量幅度（EVM）分别达到-28.25 dB和-20 dB。
2. 模拟集成电路 (Analog IC)
模拟IC领域的论文来自中国科学技术大学。该论文针对电池管理系统（BMS）应用，提出了一种具有超低温漂系数、超低线性调整率且参考电压可设计的高精度带隙基准源（BGR）。输出端采用一个低压差线性稳压器（LDO）来补偿电流模式BGR有限的驱动能力，同时实现了一个预稳压电路以改善其线性调整率。为了获得低温漂系数，采用分段曲率补偿技术来补偿VBE电压的高阶非线性，并在20 °C和60 °C进行两点修调，以确保在批量修调时分段曲率补偿的有效性。基于180 nm工艺，该BGR的输出电压为2.5 V，在5 V电源电压下消耗84 μA电流。在-40 °C至125 °C的温度范围内，经两点修调后，其平均温漂系数为2.69 ppm/°C。所提出的BGR能够提供1 mA的负载电流，其线性调整率为0.0042%/V。
3. 有线集成电路 (Wireline IC)
有线IC领域的论文来自浙江大学。该论文介绍了一种基于DSP的112 Gbps PAM4串行器-解串器（SerDes）接收器，其具有宽带均衡调谐模拟前端（AFE）。宽带均衡通过源极退化（source degeneration）、高通支路（high-pass branch）和电感峰化（inductive peaking）来实现。AFE提供灵活的峰值调谐能力，在奈奎斯特频率下峰值调谐范围高达17.5 dB。借助该AFE，接收器在数字FIR均衡后实现了眼图张开，并在具有29.6 dB插入损耗的信道上实现了6 × 10−9的误码率（BER）。
最后，衷心感谢各位作者在如此紧迫的时间内完成投稿。同时，感谢各位匿名审稿专家，他们的反馈和建议确保了本期专题的高质量。我们希望本期ICTA 2024专题能为读者提供一个了解近期集成电路发展最新进展的有益视角。
本期专题由王政教授、路延教授担任特约编辑，已在《半导体学报（英文）》2025年第6期正式出版，欢迎阅读、分享！
文章信息：
Preface to Special Topic on Integrated Circuits, Technologies and Applications 2024
Zheng Wang and Yan Lu
J. Semicond. 2025, 46(6), 060101 doi: 10.1088/1674-4926/25050802
专题研究论文
3 基于分布式高阶阻抗倒置网络的K/Ka-波段两路串联型Doherty PA
未来移动通信系统的应用场景提出了宽带、低延时和万物互联的愿景。在这些场景中，用户可享受数据的高速访问与接入，而如此广域覆盖下的无缝连接，对未来移动通信提出了大容量高速率的要求：一方面，毫米波等具有丰富频谱资源的高频通信愈发受到人们关注；另一方面，作为提升频效的重要手段，高阶调制编码技术被广泛应用。然而，高阶调制编码技术的高峰均比对PA的线性度和回退效率都提出了更加严苛的要求。为解决此难点，近年来研究提出了一系列高线性度高效率PA，但都不便于进一步集成在多通道相控阵系统中。相比之下，Doherty PA利用有源负载调制，在射频前端实现了更加直接的线性度和回退效率的提升。但是，现有的不同模型等效下的阻抗转换网络带宽窄，Doherty PA的带宽有待进一步提升。
近日，清华大学邓伟副教授课题组基于分布式高阶阻抗倒置网络，设计实现了K/Ka-波段两路串联型宽带Doherty PA。他们在该工作中研究了不同架构的Doherty PA的小、大信号的宽带表现，并采用了以高阶L-C阻抗倒置网络为原型的两路串联型功合。结果表明，其在功率回退全过程中都具有优异的宽带表现。
该设计基于CMOS 65 nm工艺实现，核心面积为0.28 mm2。测试结果表明，该设计实现了从21.5 G到37 G共15.5 GHz的3 dB带宽，分数带宽为53.0%。此外，带宽内最大的峰值、1 dB压缩点处和6 dB回退处的PAE分别为28.2%，23.3%和13.2%。最大的输出1 dB压缩点和饱和输出功率分别是14.7和17.5 dBm。
该功率放大器具有优异的分数带宽、紧凑的面积以及优秀的线性度、饱和输出功率和PAE表现，为实现宽带高性能大规模相控阵系统提供了助力。
图1. K/Ka-波段两路串联型Doherty PA的（a）电路原理图；（b）芯片照片。
图2.（a）S参数测试结果；（b）26 GHz处的增益、PAE-输出功率曲线测试结果；（c）峰值、输出1 dB压缩点处、6 dB回退处的PAE-频率曲线测试结果；（d）饱和输出功率、输出1 dB压缩点-频率曲线测试结果。
该文章作为“集成电路技术与应用”专题的特邀稿件，以题为“A K/Ka-band series Doherty CMOS power amplifier with distributed multi-step impedance inverting network”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
A K/Ka-band series Doherty CMOS power amplifier with distributed multi-step impedance inverting network
Xinyu Jiang, Wei Deng, Junlong Gong, Haikun Jia, and Baoyong Chi
J. Semicond. 2025, 46(6), 062201 doi: 10.1088/1674-4926/25010002
4 无电池无线温度传感芯片
在智慧农业生产体系中，精准的环境温度监测是保障农产品品质的关键。从智能温室育苗、食用菌的恒温培育，到农产品冷链仓储保鲜，对封闭/半封闭空间内的温度进行实时动态监控至关重要。尽管无线温度传感技术已在智慧农业场景中初步应用，但传统的基于电池供电的无线温度传感芯片仍然面临挑战，如高湿度环境下造成的防水压力和电池更换带来的高运维成本。因此，无电池无线温度传感技术正在成为智慧农业领域的研究焦点，其主要的设计挑战是在无电池的情况下确保高精度实时温度监测。
近日，浙江大学赵博教授课题组研发了一款用于智慧农业的无电池无线温度传感芯片。与传统基于模数转换器（ADC）的温度传感芯片相比，该芯片基于校准振荡器实现温度实时传感，从而同时实现高精度和超低功耗。此外，项目团队还研发了一款远程无线读取芯片，实现无电池的无线温度传感。该芯片组采用55 nm 和65 nm CMOS工艺制造。测试结果表明，该芯片组在25℃至50℃的温度范围内，温度传感误差可控制在 ±1.6℃以内，并且能够在远程实现无电池无线读取。
设计的芯片组为智慧农业生产领域提供了一种革命性的技术方案，特别是无电池无线技术实现了芯片的无限续航，显著降低维护成本。未来研究可围绕更多参数的无电池无线监测，推动该技术向更广泛的场景渗透。
图1. 团队研发的无电池无线温度传感芯片组。
图2. 芯片显微照片: (a) 温度传感芯片；(b) 读取芯片。
该文章作为“集成电路技术与应用”专题的特邀稿件和封面文章，以题为“A battery-free wireless temperature sensing chipset implemented by 55 nm and 65 nm CMOS process”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
A battery-free wireless temperature sensing chipset implemented by 55 nm and 65 nm CMOS process
Jiayi Wang, Haoyang Li, Weixiao Wang, Tianying Fang, Jiaqing Li, Yuxuan Luo, Bo Zhao
J. Semicond. 2025, 46(6), 062202 doi: 10.1088/1674-4926/25010028
5 面向电池管理系统的2.69 ppm/℃低温漂，42 ppm/V低电源敏感度的带隙基准源
电池管理系统（Battery Management System, BMS）作为电动汽车核心部件，其高精度模数转换器的性能直接依赖于带隙基准源（Bandgap Reference, BGR）的精度水平。由于锂离子电池工作电压范围（3.0-4.0 V）内荷电状态变化仅对应300 mV电压差，若实现-40 ℃至125 ℃全温域0.5%的电压检测精度，基准源温度系数必须低于3 ppm/℃。同时，电池供电系统在大电流充放电时会产生显著电源波动，这就要求BGR兼具超低温度漂移、高电源抑制比以及连续可调输出能力，以满足BMS芯片中多模块协同工作的严苛需求。这一技术瓶颈的突破对提升新能源汽车电池管理精度和可靠性具有重要工程价值。
近日，中国科学技术大学程林教授课题组提出了一种适用于电池管理系统BMS的高精度带隙基准电压源电路，具有超低温漂系数、低线性敏感度和可设计输出电压等特性。该设计采用电流模式拓扑结构，可精确产生2.5 V基准电压，完全符合主流车规级基准IC的规格要求(典型值2.5 V±5%)，能够充分满足BMS的电压基准需求。
电路设计中采用斩波运算放大器来消除主要的非线性失调误差。为了在不增加功耗的前提下修正残余非线性误差，设计了曲率补偿电流，实现了超低温漂特性：采用低成本两点修调时平均温漂低于3 ppm/°C，采用多点修调时更可达到1 ppm/°C以内。此外，通过预稳压设计优化了线性敏感度指标，同时电路具备1 mA的负载驱动能力。测试结果表明，该带隙基准源可为电池管理系统提供具有超低温漂系数、低线性敏感度及可编程输出电压的高精度基准电压。
图1. 高精度带隙基准的芯片照片。
图2.（a）在温度T = 25 ℃时，VREF与VDD的测量值对比；（b）基于100点蒙特卡洛模拟的LDO误差放大器在温度变化下的最坏情况偏移漂移特性。
图3.（a）38个样本经过两点修调（固定曲率修正码）后的VREF与温度的测量值对比；（b）38个样本的温度系数（TC）分布情况。
该文章作为“集成电路技术与应用”专题的特邀稿件，以题为“A 2.69 ppm/°C bandgap reference with 42 ppm/V line sensitivity for battery management system”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
A 2.69 ppm/°C bandgap reference with 42 ppm/V line sensitivity for battery management system
Jing Wang, Feixiang Zhang, Zhiyuan He, Hui Zhang, Lin Cheng
J. Semicond. 2025, 46(6), 062203 doi: 10.1088/1674-4926/24120045
6 集成宽带均衡可调模拟前端的112 Gbps PAM4 SerDes接收机
近年来，随着人工智能和机器学习技术的快速发展，数据中心对数据传输带宽的需求与日俱增。高速串行解串器（SerDes）技术是满足这一吞吐量要求的关键解决方案。然而随着数据速率的持续提升SerDes，信道衰减成为了限制SerDes性能的主要因素之一。为此，接收端（RX）电路（包含模拟前端）必须对信道损耗进行均衡补偿，才能实现低误码率的数据恢复。此外，为了适应不同应用场景下的差异化的信道长度和发送端均衡方案，接收端还需具备在整个频带内均灵活可调的均衡增益。
近日，浙江大学集成电路学院高翔老师课题组实现了一种7 nm FinFET工艺下的112 Gb/s SerDes接收机，其采用了宽带均衡可调模拟前端设计。该模拟前端整合了三种互补的均衡技术：源极退化、高通前馈和感性峰值增强，每种技术可在不同频段实现独立的均衡增益控制。这种架构使得接收机能够对从直流到奈奎斯特频率范围内的各类信道损耗进行全频段补偿。得益于模拟前端均衡增益的宽带可调特性，接收机在10.7 dB和29.6 dB两种信道损耗条件下均展现出优异的眼图张开度。同时在29.6 dB的高损耗信道下，接收机系统以3.15 pJ/bit 的能效实现了低于6 × 10-9的误码率。该工作有助于扩展高速SerDes对不同应用场景的适配性。
图1. （a） 不同均衡控制配置下的实测AFE增益。（b）和（c）为不同信道下数字均衡后的眼图。
该文章作为“集成电路技术与应用”专题的特邀稿件，以题为“A 112 Gbps DSP-based PAM4 SerDes receiver with a wide band equalization tuning AFE in 7 nm FinFET”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
A 112 Gbps DSP-based PAM4 SerDes receiver with a wide band equalization tuning AFE in 7 nm FinFET
Huanan Guo, Yufeng Yao, Jiazhen Ni, Xiang Gao
J. Semicond. 2025, 46(6), 062204 doi: 10.1088/1674-4926/25030001
综述
7 革新神经形态计算：基于忆阻器的人工神经元
随着信息技术的飞速发展，传统的冯·诺依曼计算机架构在处理大数据和复杂计算任务时逐渐暴露出诸多局限性。其主要瓶颈在于计算单元与存储单元的分离，导致数据传输过程中延迟增加、能耗上升。为了突破这一瓶颈，研究人员开始探索新型计算范式，其中神经形态计算因其模仿人脑神经网络的高效并行处理能力而备受关注。神经形态计算通过在存储单元中直接进行计算，减少了数据传输需求，同时模拟神经元的功能，展现出在图像识别、语音处理等复杂任务中的巨大潜力。
然而，当前神经形态计算的发展仍面临诸多挑战。一方面，构建高效、高精度的神经形态计算系统需要性能优异的新兴存储技术，如阻变随机存取存储器、相变存储器等，每种技术都有其独特优势，但也存在各自的局限性。另一方面，如何将这些新兴存储技术与神经形态计算系统有效集成，实现低能耗、高集成度的计算，是当前亟待解决的问题。
浙江大学集成电路学院高大为教授、张亦舒研究员联合北京智芯微电子技术有限公司、浙江创芯集成电路有限公司以及浙江大学杭州国际科创中心等单位，共同撰写了题为《Revolutionizing Neuromorphic Computing with Memristor-Based Artificial Neurons》的综述论文。该论文聚焦于基于挥发性忆阻器的人工神经元，深入探讨了其在神经形态计算中的最新研究进展、面临的挑战以及未来的发展方向。
论文详细介绍了多种基于挥发性忆阻器的人工神经元模型，包括漏电积分-发放神经元（LIF）、霍奇金-赫胥黎神经元、光电神经元和时间曲面神经元等。这些神经元模型利用忆阻器独特的动态开关行为、快速切换速度和低能耗等特性，模拟生物神经元的放电行为和神经网络的复杂运算，实现了高效、低功耗的神经形态计算系统。例如，基于Mott绝缘体材料的LIF神经元，通过精确控制氧含量，优化了器件的电学性能，提高了循环稳定性，展现出在神经机器人等领域的应用潜力；而基于扩散型忆阻器的LIF神经元则因其无需额外复位相、可单极性电压操作等优点，简化了电路设计，降低了能耗。
展示了VO2基Mott绝缘体人工神经元实现多种放电行为以及其类似大脑皮层结构的示意图。这些研究成果不仅为神经形态计算提供了新的硬件实现途径，也为未来智能计算系统的发展提供了重要的理论和技术支持。
基于挥发性忆阻器的人工神经元在神经形态计算中的应用前景广阔。随着物联网时代的到来，边缘端侧产生的冗余信息不断增加，对计算能力的要求也越来越高。忆阻器基人工神经元能够有效扩展到更高级的认知任务，如语音识别，为构建高效、高密度的神经形态系统提供了可能，有望在智能语音助手、自然语言处理等领域发挥重要作用。
此外，这些人工神经元还可应用于生物医学工程领域，如模拟生物神经元的信号处理功能，开发新型的神经假体和智能医疗设备。在工业物联网和自动驾驶等领域，基于忆阻器的神经形态计算系统凭借其高密度集成、高可靠性和低能耗等优势，能够满足对硬件性能和可靠性的严格要求，为复杂环境下的智能决策和实时数据处理提供支持。
然而，要实现这些应用，仍需解决一些关键问题。例如，提高挥发性忆阻器的均匀性和可靠性，优化其物理机制和器件结构，以确保长期稳定运行；开发与CMOS工艺兼容的忆阻器集成技术，实现大规模生产；以及针对忆阻器的特性，设计新的神经网络架构和算法，充分发挥其在时空信息处理方面的优势。未来的研究将围绕这些方向展开，不断推动神经形态计算技术的发展和应用，为智能计算领域带来新的突破和变革。
图1. 用于神经形态应用的基于忆阻器的人工神经元的未来方向和应对挑战的策略。
该文章以题为“Revolutionizing neuromorphic computing with memristor-based artificial neurons”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Revolutionizing neuromorphic computing with memristor-based artificial neurons
Yanning Chen, Guobin Zhang, Fang Liu, Bo Wu, Yongfeng Deng, Dawei Gao, Yishu Zhang
J. Semicond. 2025, 46(6), 061301 doi: 10.1088/1674-4926/24110006
8 铁电场效应晶体管的疲劳：机理与优化策略
在人工智能与互联网技术快速迭代的迭代下，存储器面临着存储密度、访问速度及操作次数等核心性能指标同步提升的需求。Si掺杂氧化铪中铁电性的发现引发了对铁电场效应晶体管（FeFET）新一轮的研究热潮，铪基铁电晶体管优秀的CMOS兼容性、低功耗、快速写入/读取速度、高可扩展性和成熟的可制造性使其成为最有前景的新型非易失性存储器之一，在云计算、AI、物联网等应用中有广阔的应用前景，但是铪基铁电晶体管的疲劳效应严重阻碍了其实现工业化规模生产和广泛应用的进程。FeFET的耐久性通常只能达到104至106次循环，尽管一些研究报道了耐久性增强，可达到1010次循环，但仍无法满足内存和内存计算应用（>1014次）的需求。因此，明晰铪基铁电晶体管疲劳的具体机制并针对性地进行改进和优化刻不容缓。
近日，中国科学院微电子研究所罗庆研究员团队系统性地回顾了近年来关于MFIS结构的FeFETs中疲劳现象的研究进展，从电荷捕获和陷阱生成两方面入手，深度解析FeFET疲劳的潜在原因、产生位置、具体影响等关键问题。同时，重点讨论了电子和空穴的不对称捕获/脱捕行为，以及铁电极化与电荷捕获的关系。最后，在对现有研究进展进行归类和总结的基础上，从疲劳效应的机理出发，提出了一系列晶体管性能优化策略。该工作可以为未来FeFET器件的设计和优化提供更系统的理论支持。
铪基铁电晶体管的耐久性问题一直是其发展道路上的严重阻碍，明晰FeFET疲劳的机理并进行针对性地优化对实现其在神经形态计算、物联网、新型非易失性存储器等领域的应用具有至关重要的意义。
图2. 综述内容总框图。
该文章以题为“Fatigue of ferroelectric field effect transistor: mechanisms and optimization strategies”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Fatigue of ferroelectric field effect transistor: mechanisms and optimization strategies
Yu Song, Pengfei Jiang, Pan Xu, Xueyang Peng, Qianqian Wei, Qingyi Yan, Wei Wei, Yuan Wang, Xiao Long, Tiancheng Gong, Yang Yang, Eskilla Venkata Ramana, Qing Luo
J. Semicond. 2025, 46(6), 061302 doi: 10.1088/1674-4926/24100010
研究论文
9 用于量子密钥分发的增益开关半导体激光器强度关联分布
诱骗态BB84协议提高了量子密钥分发（QKD）的安全性和传输距离。在诱骗态QKD系统中，编码光脉冲强度偏离预设值，会导致系统低估窃听者信息，降低安全密钥生成率，因此，编码光脉冲的强度准确性至关重要。强度偏差包括漂移和涨落，分别对应均值漂移和噪声。漂移可以通过光功率计和可调光衰减器进行补偿，但强度涨落中存在一种特殊类型，它与相邻脉冲之间的关联性有关。QKD系统常采用增益开关半导体激光器（GSSLs）作为光源，这不仅简化了发射端的结构，还能满足BB84协议对编码光脉冲相位随机化的要求。然而，此方式在安全量化方面缺乏严谨性，需通过实验判定GSSLs工作状态是否达标。随着高速QKD系统的发展，激光器需以GHz重复频率输出脉冲，受激辐射的非线性特性会放大驱动电流噪声，致使输出光脉冲产生强度涨落。前期研究虽已观测到1.25 GHz下的强度涨落及相邻脉冲间的强负相关性，但仅涉及相邻脉冲强度相关性，更高重复频率下的高阶强度相关性仍有待深入探究。
近日，北京量子信息科学研究院光量子通信与器件团队助理研究员高远飞系统地探究了DFB激光器高速驱动下的强度波动和高阶关联性分布。实验观察到强度波动和相邻脉冲之间的高阶关联分布对驱动电流的依赖特性。随着驱动电流的增大，光脉冲强度波动趋于稳定，高阶关联特性消失。利用速率方程，模拟了高重复频率下激光器的输出特性。通过分析确定了强度关联性与载流子寿命有关，当高速驱动电流间隔与载流子寿命相当时，会引起前后输出光脉冲相互关联。提高驱动电流，可以大幅度降低载流子寿命，从而消除强度关联性。
我们对QKD中的发射端输出光脉冲的性能进行量化，特别是关于脉冲强度波动和相关性，有助于QKD发射端的性能评估和优化。
图2. 仿真计算（a）-（e）随着驱动电流的增加，GSSLs中光子和载流子密度的演化。阈值载流子密度被描述为一条水平的直线。（f）不同间隔相邻脉冲的自相关函数。
该文章以题为“Intensity correlation distribution in gain-switched semiconductor laser for quantum key distribution”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Intensity correlation distribution in gain-switched semiconductor laser for quantum key distribution
Yuanfei Gao, Tao Wang, Yixin Wang, Zhiliang Yuan
J. Semicond. 2025, 46(6), 062101 doi: 10.1088/1674-4926/24090052
10 基于MEMS固支梁的微波功率检测芯片及其模型
随着现代微波通信技术的不断发展，通信系统对微波信号质量的要求越来越高，因此对微波功率的精确检测显得尤为重要。Micro-Electro-Mechanical Systems (MEMS)电容式固支梁是MEMS技术中一类重要的微结构，与其他类型的传感器相比，电容式固支梁传感器因其结构简单、过载能力强等优点而受到广泛关注。这些特性使它们非常适合被应用于有小型化、低能耗和高性能需求的场景。
近日，南京邮电大学王德波教授课题组针对传统的电容式MEMS微波功率检测芯片存在的悬臂梁过载功率低、传统固支梁灵敏度不足等问题，设计并研制出一种基于双导固定梁结构的MEMS微波功率检测芯片。他们在本项工作中创新性地引入双导固定梁结构用于牺牲层的加速释放，并建立了全新的负载感知模型，从理论和实验两个层面系统研究了固定梁结构对检测性能的影响。
研究结果表明，该芯片在9–11 GHz频段具有良好的微波特性，回波损耗小于−10 dB。通过理论建模和实测数据对比发现，在10 GHz时该芯片的理论灵敏度为13.8 fF/W，实测为14.3 fF/W，相对误差仅为3.5%。此外，论文中还提出了基于固定梁几何等效的简化方法，使得理论建模更加精确并具有通用性。进一步地，在功率增加过程中，芯片展现出优异的过载能力，过载功率可达1.85 W，相较悬臂梁结构大幅提升。
该项工作不仅提升了MEMS检测芯片的灵敏度与过载阈值，也为固支梁结构在高性能微波功率检测领域的工程应用提供了坚实的理论依据和工艺路径。
该文章以题为“MEMS microwave power detection chip based on fixed beams and its model”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
MEMS microwave power detection chip based on fixed beams and its model
Qirui Xu, Zhiyin Ding, Debo Wang
J. Semicond. 2025, 46(6), 062301 doi: 10.1088/1674-4926/24100018
11 具有优化工艺窗口的垂直变掺杂超结MOSFET的理论与实验研究
降低功率MOSFET的比导通电阻（Ron,sp）对于减少系统能耗至关重要。作为一种电荷平衡功率器件，超结 MOSFET （SJ-MOS）现已被广泛应用于中高压领域以突破硅材料的限制，并与传统功率MOSFET相比，其Ron,sp与击穿电压（BV）之间折衷关系显著改善。在SJ-MOS结构中，交替排列的P/N柱取代了传统功率MOSFET的N型漂移区。在理想的电荷平衡条件下，这些P/N柱被完全耗尽。因此，可实现更高的BV，因为漂移区展现出与本征层相当的优异电压阻断能力。然而，SJ-MOS的性能（包括BV）在很大程度上取决于P/N柱之间的电荷平衡状况。而在实际制造过程中，导致P/N柱之间电荷不平衡的偏差不可避免。并且研究表明，具有更高掺杂浓度柱结构的SJ-MOS受电荷不平衡的影响更为严重。因此，随着SJ-MOS技术的持续发展，掺杂浓度的增加使得工艺窗口的减小成为一个更为突出的问题。
近日，电子科技大学任敏教授课题组基于多步外延工艺，通过调整单步外延P/N型掺杂注入剂量，制备了具有优化工艺窗口的垂直变掺杂（VVD）的超结MOSFET。他们在该工作中系统研究了不同掺杂分布的漂移区对SJ-MOS性能的影响，结果表明，与常规SJ-MOS相比，VVD-SJ击穿电压在电荷不平衡条件下工艺窗口显著提高。此外，通过详细分析雪崩耐量测试过程中器件内部电流路径及温度分布，证实当P型掺杂略高于平衡剂量时雪崩耐量越高，且具有P柱上浓下淡、N柱上淡下浓结构的VVD-SJ对电荷不平衡敏感程度更低。流片结果表明，优化后的VVD-SJ结构与传统SJ-MOS相比，综合工艺窗口宽度提升了35.90%。
通过调整SJ-MOS的P/N柱中的掺杂分布，可以优化在电荷不平衡条件下的电场分布，从而扩大器件的工艺窗口。已经证明，通过在顶部增加P柱的浓度并在底部降低浓度，同时对N柱采取相反措施，并确保P柱的总杂质略高于N柱的杂质，可以在击穿电压、雪崩耐量和工艺窗口之间实现最佳权衡，为SJ-MOS的设计和制造提供了有意义的参考。
图1. VVD-SJ（a）半元胞结构、（b）多步外延工艺实现步骤。
图2.（a）传统SJ-MOS；（b）VDD-SJ（a > 0, b < 0）和（c）VDD-SJ（a < 0 , b > 0）的电场分布图；电场形貌在不同漂移区结构中随电荷不平衡因子变化呈现不同的变化趋势。
该文章以题为“Theoretical and experimental study on the vertical-variable-doping superjunction MOSFET with optimized process window”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Theoretical and experimental study on the vertical-variable-doping superjunction MOSFET with optimized process window
Min Ren, Meng Pi, Rongyao Ma, Xin Zhang, Ziyi Zhou, Qingying Lei, Lvqiang Li, Zehong Li, Bo Zhang
J. Semicond. 2025, 46(6), 062302 doi: 10.1088/1674-4926/24070029
12 基于ZnO薄膜晶体管的互补倒相器
互补倒相器是逻辑电路的基本组成部分。互补倒相器通常需要同时使用p型和n型薄膜晶体管（TFT），若以氧化物为沟道层则有望进一步降低功耗，简化结构，而且更易于集成。在已有报道中，基于氧化物的互补倒相器通常采用混合结构，n型TFT采用氧化物，而p型TFT则采用有机材料、碳纳米管、硅、WSe2、ZnTe等；全氧化物的也基本采用异质结构，如n型ZnO和p型SnO、n型InGaZnO和p型SnO、n型InWO和p型CuO等。目前唯一采用同质氧化物的只有基于SnO TFT双极性传输的类互补倒相器。上述困境的主要原因是：尚未有单一氧化物半导体能够同时实现高性能的p型和n型导电。毫无疑问，基于全氧化物TFT的互补倒相器非常重要，除了工艺简单、低温制程和大面积沉积外，在透明/柔性电子器件领域也具有潜在应用。如何实现基于同一氧化物半导体的互补倒相器是该领域的一个亟需解决的课题。
近日，浙江大学吕建国团队与河北半导体研究所于根源团队合作，设计了基于全ZnO薄膜晶体管的互补倒相器。以铝掺杂氧化锌（ZnO:Al）为n型沟道层，Li−N双掺杂ZnO（ZnO:(Li,N)）为p型沟道层，两种薄膜的载流子浓度均在1017 cm−3量级，适合于TFT工艺。基于ZnO的p型和n型TFT，研制出互补倒相器，在40 V电源电压下的电压增益为13.34，该指标性能较好。本文的工作是全氧化物互补倒相器研究的突破性进展，可望促进互补倒相器和透明逻辑电路的发展。
图1. 基于p型和n型ZnO TFT的互补倒相器在不同电源电压下的（a）静态电压转移特性曲线和（b）电压增益曲线。
该文章以题为“Complementary inverter based on ZnO thin-film transistors”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Complementary inverter based on ZnO thin-film transistors
Dunan Hu, Genyuan Yu, Ruqi Yang, Honglie Lin, Jianguo Lu
J. Semicond. 2025, 46(6), 062303 doi: 10.1088/1674-4926/24090040
13 一款28 nm配备混合编程策略的2.82 TOPS/mm²的忆阻器存算一体宏单元
基于忆阻器的存算一体方案具有非易失、高算力密度以及高能效的优势，有望成为未来存算一体的主流方案。然而现存的忆阻器存算一体方案主要聚焦于优化推理过程的性能指标，例如算力密度以及能效，很少涉及到对于片上编程方案在速度、功耗以及编程精度上的优化。
清华大学钱鹤、吴华强团队针对忆阻器存算一体方案目前所面临的问题，设计了并流片验证了一款阻变存储器存算一体芯片，其架构如图1所示。通过片上集成多种编程策略、构建分段存算阵列、设计耐高压电源选择器以及采用双开关电流型逐次逼近寄存器模数转换器（SAR ADC）等设计，该28 nm忆阻器存算宏芯片达到了2.82 TOPS/mm2的算力密度。该硬件平台同时作为后续探索并全面提升 RRAM 编程在精度、效率、可靠性等提供了硬件支撑。
图1. 芯片整体结构框图。
在编程策略优化方面，本文系统地研究了不同编程策略，并证实混合编程模式相较于传统的单端权重编程方案（1T1R模式）以及差分权重编程方案（2T2R模式）在编程精度、速度、成功率及低弛豫特性等方面的优势，如图2所示。该编程模式应用于上述流片验证的存算宏单元，成功实现了多比特权重的精确写入与存储，显著减小了计算与读出结果的偏差。相较于原先的忆阻器编程方案，实现了×4.67倍的编程速度以及×0.85倍的编程功耗。此外该编程方案还表现出了对于权重分布×4.30倍的抑制效果，证实了所提出的混合编程方案在速度、功耗以及准确率上的提升。
本文所提出的混合编程策略具有高速、低功耗且高精度的优势，是忆阻器存算一体后续进行可靠加速的前提，有望成为后续忆阻器存算一体的主流编程方案。
图2. 不同编程方式之间的比较。
该文章以题为“A 28 nm 576K RRAM-based computing-in-memory macro featuring hybrid programming with area efficiency of 2.82 TOPS/mm2”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
A 28 nm 576K RRAM-based computing-in-memory macro featuring hybrid programming with area efficiency of 2.82 TOPS/mm2
Siqi Liu, Songtao Wei, Peng Yao, Dong Wu, Lu Jie, Sining Pan, Jianshi Tang, Bin Gao, He Qian, Huaqiang Wu
J. Semicond. 2025, 46(6), 062304 doi: 10.1088/1674-4926/24100017
14 EFG法生长直径为2英寸的(010)主面β-Ga2O3单晶
(010)面β-Ga2O3单晶衬底具有较大的热导率与较快的外延生长速率，是β-Ga2O3基功率器件的优选晶面衬底。在已实现商业化的导模法生长技术中，(010)面β-Ga2O3单晶衬底的尺寸与产量却仍然受到限制。此外，由于(100)面与(001)面均为β-Ga2O3的解理面，且同时与(010)面垂直，导模法获取大尺寸(010)主面β-Ga2O3体块单晶研究工作存在较大困难，新技术路线与思路尚待进一步研究。
近日，山东大学贾志泰教授团队采用改进的导模法成功生长获得了直径可达2英寸的(010)主面β-Ga2O3单晶，如图1(a)所示。团队首先创新性的采用非优势生长晶向[001]作为晶体生长方向，(010)晶面作为晶体主面进行导模法生长，实验早期发现导模法生长(010)主面β-Ga2O3晶体中存在顽固的“枝状晶”宏观缺陷。随后，团队通过优化固液生长界面处的局部轴向温度梯度，增强了(010)主面β-Ga2O3晶体生长所需的轴向驱动力生长需求，避免了界面处的过度蓄热现象，成功消除了(010)主面β-Ga2O3晶体中的“枝状晶”缺陷，并深入讨论了生长界面稳定性与缺陷形成原因之间的相互关系。获得的(010)晶面衬底质量较高，摇摆曲线半峰宽为50.4弧秒。
图1. （a）2英寸(010)主面β-Ga2O3单晶； （b） (010)主面晶体导模法生长原理示意图。
该文章以题为“2-inch diameter (010) principal-face β-Ga2O3 single crystals grown by EFG method”发表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
2-inch diameter (010) principal-face β-Ga2O3 single crystals grown by EFG method
Xuyang Dong, Wenxiang Mu, Pei Wang, Yue Dong, Hao Zhao, Boyang Chen, Zhitai Jia, Xutang Tao
J. Semicond. 2025, 46(6): 062501 doi: 10.1088/1674-4926/24110029
转载本文请联系原作者获取授权，同时请注明本文来自阎军科学网博客。
链接地址：https://wap.sciencenet.cn/blog-3406013-1493002.html?mobile=1
收藏
