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半导体学报2022年第3期——中文导读
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综 述
1 基于静态随机存取存储器的存内计算研究综述：电路，功能以及应用
作为一种旨在解决冯·诺依曼瓶颈的计算架构，有学者提出了内存计算（computing in-memory, CIM）技术。所谓内存计算是一种直接在内存中进行计算的新体系架构和技术。它突破了传统体系架构的局限性，优化了存储单元和逻辑单元的结构，实现了存储单元和逻辑单元的集成，避免了将数据传输到处理器寄存器进行计算再返回内存的繁琐过程，从而显著降低了芯片的延迟和能耗。静态随机存取存储器（SRAM）因其单元的健壮性和存取速度而成为存算中一个热门的研究课题。
近日，安徽大学吴秀龙教授和蔺智挺教授课题组在基于SRAM存内研究领域中取得了一些进展，并且将该领域研究成果做了总结与展望。他们在该工作中从电路、功能和应用三个层面系统地回顾了基于SRAM的存内计算技术的研究进展。并且还指出了目前基于SRAM存内计算面临的问题、挑战以及其应用前景。第一个层面电路主要包括两方面：1）基本存储单元，包括读写分离结构、可转置结构和紧凑耦合结构；2）外围辅助电路，包括模数转换电路（analog-to-digitalconversion, ADC）、数模转换电路（digital-to-analogconversion, DAC）、冗余参考列，数字辅助电路和模拟辅助电路（图1(a)）。第二个层面所能实现的运算操作：1）纯数字存内计算，包括布尔逻辑和内容可寻址（content-addressablememory, CAM）; 2）混合信号存内计算，包括乘累加（multiplication andaccumulation, MAC）、汉明距离和绝对值差和（sum of absolute difference, SAD）（图1(b)）。第三个层次主要从加速卷积神经网络算法（Convolutional Neural Network, CNN）、分类器算法、模式识别算法（k-nearest neighbor, k-NN）和高级加密标准算法（Advanced Encryption Standard, AES）等应用方面进行总结与回顾（图1(c)）。最后，从这三个层面讨论了基于SRAM的存内计算面临的挑战和未来的发展前景。
基于SRAM存内计算目前已取得了一定的研究进展，该技术大大提高了系统的运算速度。这也为未来将存算技术实际商用提供了坚实基础。
图1. 基于SRAM存算一体化研究总体框架：（a）采用的电路;（b）运算功能;（c）应用场景。
A review on SRAM-based computing in-memory: Circuits, functions, and applications
Zhiting Lin, Zhongzhen Tong, Jin Zhang, Fangming Wang, Tian Xu, Yue Zhao, Xiulong Wu, Chunyu Peng, Wenjuan Lu, Qiang Zhao, Junning Chen
J. Semicond. 2022, 43(3): 031401
doi: 10.1088/1674-4926/43/3/031401
研究论文
2 Fe3+-替代对四元钙钛矿CaCu3Ti4O12 J-E特性的热变化和直流电阻率的影响
Fe3+-substitution effect on the thermal variation of J–E characteristics and DC resistivity of quadruple perovskite CaCu3Ti4O12
J. Semicond. 2022, 43(3): 032001
doi: 10.1088/1674-4926/43/3/032001
3 超宽带低相差CMOS数字T型衰减器
衰减器（及移相器）是相控阵应用的核心器件，主要完成信号的幅相控制，实现波束合成，在雷达、5G毫米波通信等领域有着非常广泛的应用。传统的衰减器大都采用化合物（主要是GaAs）工艺实现，而基于硅基的幅相控制芯片是近几年国内外学术界和工业界研究的热点，可以实现更高的集成度、更优的性能以及更低的成本。对于相控阵不断追求的目标之一是实现更高的精度，由此需要不断提高衰减器的精度以及附加相移等性能。
（本课题接受装发信息系统局型谱项目的支助，基于某些原因，不便透露相关信息，但技术内容是公开的）。本项目课题组是国内最早开展硅基幅相控制多功能芯片研究的团队之一，已实现频率覆盖X波段到Ka波段的多款芯片。衰减器是幅相控制多功能芯片的核心模块，本文提出了一种新型超宽带低相位误差CMOS数字T型衰减器，采用了一种新型的电感相位补偿网络，该网络在典型的开关T型衰减器拓扑中引入了衰减路径；与传统的低通滤波网络或者电容补偿网络相比，用更小的面积实现了更优的相位补偿性能。
图1. 电感补偿衰减器及相位补偿性能。
本文采用的电感补偿网络实现的T型衰减器，已实际应用于工程样品中，实现了良好的附加移相性能，提高了幅相控制多功能芯片的整体性能。该思想及方法不受工艺的限制，可以拓展到SiGe及GaAs工艺中；同时其本身具有超宽带的特性，可以适用于不同频段的衰减器，应用面广且易于实现。
Ultra wideband CMOS digital T-type attenuator with low phase errors
Chao Fan, Yahua Ran, Liqun Ye
J. Semicond. 2022, 43(3): 032401
doi: 10.1088/1674-4926/43/3/032401
4 基于0.18 μm低压CMOS工艺的一款垂直型霍尔磁场传感器
随着对检测三维（3D）磁场分量的需求越来越大，仅仅采用集成的水平霍尔板作为传感器件的CMOS霍尔传感器已经无法达到多种应用要求，因此需要研究检测平行于器件表面的磁场的垂直霍尔器件（VHDs），为实现二维或三维霍尔传感器提供了一个成本优化的片上系统（SoC）解决方案。然而由于受到固有的器件结构和CMOS制造工艺的限制，N阱的浅扩散层和高掺杂浓度使输入偏置电流很容易流过器件表面接触区域，导致VHDs的磁场灵敏度极低。为了缓解这种短路效应，通常采用具有特殊的低掺杂深n扩散层（NTUB）的高压（HV）CMOS技术来制造VHD。但是这将不可避免地增加额外的制造成本。此外，由于传统VHDs缺乏电气性能上的对称性，它的失调电压通常比霍尔电压大得多，使得VHDs很难检测到低磁场，因此必须采用全对称垂直霍尔器件（FSVHD）来减少器件的失调。其中，四阱三孔结构的VHD是一个很好的解决方案，尽管如此，其灵敏度仍然需要改进。
近日，南京邮电大学徐跃教授课题组针对以上问题深入研究了基于低压标准CMOS技术的集成VHD的磁传感器微系统，采用0.18 μm低压CMOS工艺成功研制了一款垂直霍尔磁场传感器芯片。他们在该工作中研究了FSVHD结构中N+接触孔之间距离，N+接触孔宽度等参数对灵敏度的影响，显著提高了VHDs的灵敏度。此外，还提出了一个新颖的四相开关电容(SC)电路及其相应的调制电路，有效消除了霍尔失调并线性放大霍尔信号。测试结果表明，该传感器的系统灵敏度为1.22 V/T，残余失调小于60 μT，在-200 mT至200 mT的磁场范围内，输出霍尔电压的线性度高达99.9%，可以用于低成本的全集成二维或三维磁传感器微系统，进行位移、角度、电流、转速等方面的测量。
图2. 测试的输出霍尔电压随磁场的线性变化。
An integrated front-end vertical hall magnetic sensor fabricated in 0.18 μm low-voltage CMOS technology
Zhengwu Shu, Lei Jiang, Xingxing Hu, Yue Xu
J. Semicond. 2022, 43(3): 032402
doi: 10.1088/1674-4926/43/3/032402
5 Cu-Zn-Sn-S纳米晶的光催化析氢性能调控
多元铜基硫族半导体纳米晶是一个丰富的材料体系。二元Cu2-xVI（VI = S，Se，Te）材料是最基本的多元铜基硫族半导体纳米晶，通过引入不同元素，Cu2-xVI可以演变为具有多种晶相结构的三元，甚至四元半导体纳米晶。近日，北京交通大学唐爱伟教授课题组、中科院半导体研究所王智杰研究员课题组采用一锅法合成了四元Cu-Zn-Sn-S（CZTS）纳米晶，并通过调节铜含量、表面配体、反应温度等条件，获得了纯锌锡矿和纯六方纤锌矿CZTS纳米晶，揭示了影响晶型的关键因素，即铜含量。进一步地，论文对CZTS纳米晶的带隙、能级结构和电荷转移能力进行了综合比较。结果表明，该实验中铜元素加入量为1 mmol时可以得到纯六方纤锌矿CZTS纳米晶，禁带宽度为1.74 eV。六方纤锌矿CZTS纳米晶相较于锌锡矿、表现出更高的光催化析氢活性。具体地，六方纤锌矿CZTS纳米晶在可见光范围具有较高的光吸收能力，并且电化学阻抗较小，光电流较大。在模拟太阳光的照射下，六方纤锌矿CZTS纳米晶产生的光电流为0.5 μA/cm2，是锌锡矿的2倍。在光催化析氢应用中，六方纤锌矿CZTS纳米晶的产氢速率为825.6 μmol/(g·h)，是锌锡矿的1.5倍。
论文系统分析了由铜控制的CZTS晶型转变过程，探究了纯六方纤锌矿CZTS的在光催化析氢领域的应用，对促进铜基硫族半导体在氢能领域的应用起到了积极的作用。
Zhe Yin, Min Hu, Jun Liu, Hao Fu, Zhijie Wang, Aiwei Tang
J. Semicond. 2022, 43(3): 032701
doi: 10.1088/1674-4926/43/3/032701
6 T形栅极增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT寄生电容的不稳定性机理研究
AlGaN/GaN MIS-HEMT基于超极化形成的二维电子气（2EDG），具有高速开关、低寄生和低导通电阻等优点，在射频和高速开关电路中具有广阔的应用前景。在钝化介质上形成栅场板和源场板结构是提高HEMT击穿电压的常用手段，并能够有效抑制电流崩塌效应。但是，场板结构同样会增大寄生电容，增大开关损耗和开关时间。尤其是在高场下，钝化介质/(Al)GaN界面态和介质内部体缺陷对电子的trapping/de-trapping效应将会导致寄生电容的动态漂移，容易引起MIS-HEMT在开关过程中出现错误的响应，然而该可靠性问题很少有人研究。
近期，中科院微电子研究所蒋其梦、黄森老师课题组通过高频C-V测试和电感负载开关测试，对LPCVD-SiNx介质钝化增强型AlGaN/GaN MIS-HEMT的栅极相关寄生电容开展系统性研究。在栅电容C-V特性曲线和栅漏电容C-V特性曲线上，T形栅场板引入的寄生电容部分和增强型沟道电容部分表现出不同的夹断电压。通过不同频率和初始测试电压的测试结果，验证了T型栅场板寄生电容部分的不稳定性是由LPCVD-SiNx钝化介质引入界面态和体缺陷造成的。在电感负载开关测试结果的输出电压曲线中，表现出分段的电压下降斜率，反映出相应附加的开关功耗和开关时间。
T形栅结构寄生电容的不稳定性研究为增强型AlGaN/GaN高压开关器件的结构设计和工艺加工具有一定的指导意义，有助于推动后者在高速开关电路中的应用。
图2. 电感负载开关测试结果：(a) 输入-输出电压波形；(b) DUT开启过程波形。
Instability of parasitic capacitance in T-shape-gate enhancement-mode AlGaN/GaN MIS-HEMTs
Lan Bi, Yixu Yao, Qimeng Jiang, Sen Huang, Xinhua Wang, Hao Jin, Xinyue Dai, Zhengyuan Xu, Jie Fan, Haibo Yin, Ke Wei, Xinyu Liu
J. Semicond. 2022, 43(3): 032801
doi: 10.1088/1674-4926/43/3/032801
7 纯ZnO和银掺杂的ZnO纳米结构的结构、光学及抗菌性能
Structural, optical and antimicrobial properties of pure and Ag-doped ZnO nanostructures
Sagar Vikal, Yogendra K. Gautam, Anit K. Ambedkar, Durvesh Gautam, Jyoti Singh, Dharmendra Pratap, Ashwani Kumar, Sanjay Kumar, Meenal Gupta, Beer Pal Singh
J. Semicond. 2022, 43(3): 032802
doi: 10.1088/1674-4926/43/3/032802
8 高温度范围的Al0.24Ga0.76As/GaAs霍尔传感器的建模与测试
在过去的几十年里，霍尔效应传感器以其高性能、小体积和低成本占据了磁性传感器的大部分市场。它们的各种应用，如电子罗盘、位置检测、电流传感和非接触开关，使其成为最受欢迎的磁性设备。这是更真实的，因为硅霍尔传感器很容易集成在互补金属氧化物工艺（CMOS）晶片上，并带有读出电子元件。通常，霍尔传感器的探测范围从10 μT到20 T不等，空间分辨率小于1 μm，带宽从直流到1 MHz以上。然而，随着霍尔传感器在工业和研究领域的广泛应用，研究更高性能的霍尔传感器材料和制造工艺变得尤为重要。在迁移率方面，Si<GaN<GaAs<InAs<InSb。根据载流子漂移速度与电子迁移率之间的正相关关系，载流子迁移率越高，霍尔器件的磁灵敏度越高。砷化铟（InAs）和锑化铟（InSb）虽然具有超高的迁移率，但它们狭窄的能隙导致了较差的温度性能，限制了它们的应用。砷化镓是一种优良的霍尔效应器件材料，因为它具有较大的迁移率和能隙。砷化镓霍尔传感器在过去的几十年里已经有设计方案，但由于价格昂贵，它们不像硅霍尔效应传感器那样得到了广泛应用。
砷化镓作为射频（RF）和微波组件的优秀材料，5G通信技术促进了它的发展。近日，电子科技大学樊华教授课题组开发了一种基于GaAs的霍尔传感器及其恒压偏置模型。他们使用COMSOL多物理模拟工具研究了几何结构对霍尔电压的影响。研究发现，当W/h等于3时，全对称的霍尔传感器的灵敏度最佳且窄交叉的灵敏度优于完全对称的霍尔元件。当长接触端口的长度是短接触端口长度的两倍时，得到了最佳的灵敏度。同时他们使用了Silvaco TCAD模拟了十字形霍尔传感器，以研究其灵敏度和温度性能。模拟结果与实验结果高度一致，通过实验获得了0.28 V/V/T的高灵敏度。在5 V偏置电压下，砷化镓霍尔传感器获得了1.38 V/T的高灵敏度。并且砷化镓霍尔传感器在-40 °C时仍得到了最大72.5 mV的霍尔电压以及0.275 V/V/T的灵敏度。
可以看出砷化镓霍尔传感器的优越性能，未来的将会有越来越多的使用标准 CMOS 技术设计和实现带有读出电路的整个霍尔传感器系出现。
图2. 结合2种外延层结构和2种物理模型，给出4种仿真结果。(a，b )变量为磁场以及物理模型；(c，d) 变量为温度以及物理模型 (T = 50 mT)。
Hua Fan, Huichao Yue, Jiangmin Mao, Ting Peng, Siming Zuo, Quanyuan Feng, Qi Wei, Hadi Heidari
9 Al掺杂及表面处理协同提升InZnO薄膜晶体管性能
开展溶液法制备高性能氧化物薄膜晶体管（TFTs）的研究对印刷平板显示技术的发展具有重要的意义。作为常见的n型氧化物半导体材料之一，InZnO（IZO）具有迁移率高、易于溶液法制备的优点，受到人们的广泛关注。然而，稳定剂的缺失及对空气中水氧分子的高灵敏性导致IZO TFTs常面临着开启电压为负、稳定性较低的问题。
近日，重庆大学臧志刚教授课题组通过掺杂及表面处理的手段，获得了溶液法制备的高性能IZO TFTs。他们在该工作中采用Al作为掺杂元素，系统研究了掺杂对IZO薄膜及TFTs性能的影响，结果表明，在合适的掺杂浓度下，薄膜内氧空位等缺陷含量显著降低，IZO:Al TFTs的开启电压被调节至0 V左右。此外，他们还研究了氧化物TFTs顶层界面条件对器件性能的重要性，采用十八烷基三甲氧基硅烷（OTES）这一疏水自组装单层膜对器件进行封装，有效减弱空气中水氧分子的影响，大幅降低顶层界面缺陷密度，实现TFTs回滞现象的降低及开关比、长时和偏压稳定性等的提升。通过替换使用具有高电容强度的AlOx作为栅绝缘层，该组人员进一步制备了低电压工作的高性能IZO:Al TFTs，在1.5 V的工作电压下实现了>104电流开关比及4.6 cm2/(V•s)的迁移率。该工作为氧化物TFTs的发展提供了新的思路，对促进氧化物TFTs在低成本、印刷电子领域的实际应用起到了积极的作用。
图2. AlOx的（a）漏电电流密度及（b）表面形貌；AlOx/IZO:Al TFTs的（c）输出及（d）转移特性曲线。
https://wap.sciencenet.cn/blog-3406013-1330003.html
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