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半导体学报2022年第7期——中文导读
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综述
1 集成电路设计领域发展趋势长篇综述论文
其中，清华大学的刘勇攀教授、孙文钰博士和岳金山博士在本文中的机器学习及人工智能芯片方向讨论了特定领域应用的芯片设计，如语音识别、图像及视频处理AI芯片。同时，存内计算芯片都已成为高能效高性能人工智能芯片的重要技术路线，本文分别从宏和系统层面对存内计算的芯片设计进行了探讨。
在数据转换器方面，清华大学的孙楠教授和揭路教授、澳门大学的冼世荣教授和陈知行教授在本文中归纳总结了近期发表在ISSCC上工作，重点讨论了混合架构的噪声整形逐次逼近型ADC、高精度增量型ADC、以及流水线ADC的最新成果。
图4. 数据转换ADC性能趋势图。（详细内容请见综述论文）
功率转换器方面由西安交通大学的耿莉教授、澳门大学的路延教授和黄沫教授、中国科学技术大学的程林教授和潘东方博士、香港中文大学（深圳）的刘寻教授共同打造。特别分析了混合型DC-DC架构的演变过程、常规DC-DC和混合型DC-DC的快速响应环路设计、高度集成的小型化隔离电源、及针对5G功率放大器应用的电源调制器设计。
图5. 混合型架构DC-DC的演变过程及其相互联系。
本文的CMOS图像传感器和距离传感器部分由天津大学的徐江涛教授和聂凯明教授、中科院半导体研究所的冯鹏教授对当前热门的高速动态视觉传感器、高动态范围图像传感器、应用于激光雷达的直接飞行时间测量（Direct-ToF）和间接飞行时间测量（Indirect-ToF）距离传感器的近期工作做了总结介绍。在新兴前沿技术领域，清华大学的张沕琳教授介绍了应用于量子计算的低温CMOS电路、以及生物医疗电路与器件方面国际上最新的研究成果。
图6. 图像传感器和距离传感器的种类划分和工作进展。
文章信息：
Trending IC design directions in 2022
Chi-Hang Chan, Lin Cheng, Wei Deng, Peng Feng, Li Geng, Mo Huang, Haikun Jia, Lu Jie, Ka-Meng Lei, Xihao Liu, Xun Liu, Yongpan Liu, Yan Lu, Kaiming Nie, Dongfang Pan, Nan Qi, Sai-Weng Sin, Nan Sun, Wenyu Sun, Jiangtao Xu, Jinshan Yue, Milin Zhang, Zhao Zhang
J. Semicond. 2022, 43(7): 071401
doi: 10.1088/1674-4926/43/7/071401
研究论文
2 (Al,Ga)Sb/InAs二维电子气中电子迁移率的各向异性
由于具有高的室温电子迁移率特点，(Al,Ga)Sb/InAs二维电子气（two-dimensional electron gas，2DEG）体系是制备高速、低噪声和低功耗电子器件的理想材料。实验发现，当(Al,Ga)Sb/InAs 2DEG外延在（001）取向的衬底（如InP和GaAs）上时，电子迁移率的大小与晶体取向有关，表现出各向异性的特点。在以往的研究中，该体系电子迁移率的各向异性被简单归因于穿透位错所引起的形貌各向异性，其它可能的物理机制尚未见报道。考虑到各向异性的电子迁移率可能会对电子器件的设计及性能产生影响，因此，有必要对该各向异性的物理起源进行深入研究。
近日，中国科学院半导体研究所赵建华课题组研究了Al0.75Ga0.25Sb缓冲层厚度和Al1-xGaxSb下势垒层组分对(Al,Ga)Sb/InAs 2DEG中电子迁移率各向异性的影响。他们发现，当Al0.75Ga0.25Sb缓冲层较厚时，电子迁移率各向异性主要由InAs层中沟槽对电子的各向异性散射引起，各向异性较大且随温度的升高而单调减小；当Al0.75Ga0.25Sb缓冲层较薄时，电子迁移率各向异性主要与压电极化散射有关，各向异性较小且表现出非单调性的温度依赖性。
上述结果给出了(Al,Ga)Sb/InAs 2DEG体系中电子迁移率各向异性物理起源的系统研究结果，同时为相关电子器件的设计提供了参考。
图1.（a）L型Hall bar器件；（b）样品结构示意图，其中Ga含量和下势垒层Al1-xGaxSb厚度如表中所示。
图3.（a）样品B1的参数α和β随温度的变化关系；（b）样品B1-B4的参数α随温度的变化关系。
文章信息：
Electron mobility anisotropy in (Al,Ga)Sb/InAs two-dimensional electron gases epitaxied on GaAs (001) substrates
Qiqi Wei, Hailong Wang, Xupeng Zhao, Jianhua Zhao
J. Semicond. 2022, 43(7): 072101
doi: 10.1088/1674-4926/43/7/072101
3 面向高效表面/空气杀菌的瓦级深紫外LED集成光源 新冠病毒肺炎疫情在全球的蔓延，引发了人们对日常消杀和卫生健康方面的关注和重视。深紫外线（UVC）波长短（200~280 nm）、能量高，能在短时间内破坏微生物细胞中的DNA和RNA遗传物质分子，使其立即死亡或者无法繁殖，可实现高效快速的广谱杀菌效果。相比于传统的紫外汞灯光源，基于第三代半导体材料AlGaN的深紫外LED具有体积小、结构简单、携带方便、无需预热、安全环保、不产生臭氧等优点，随着国际《水俣公约》的实施，将逐步取代汞灯成为主要的深紫外固态光源。目前常见的深紫外LED光源多为单点模式，集成化程度不高，光输出功率低，无法满足高效快速的杀菌要求。因此，开发高功率的深紫外LED集成光源是实现深紫外LED在杀菌消毒领域大规模应用的必经之路。 广东省松山湖材料实验室第三代半导体团队和北京大学王新强教授团队合作，采用COB集成技术设计开发了275 nm、265 nm及255 nm三种波长的瓦级输出功率的深紫外LED集成光源，其最高输出功率达到1.88 W。光源采用密集排布的芯片阵列，195颗芯片以15串13并的方式接入电路，发光区域仅为3.4 cm × 3.4 cm，出光均匀。通过采用AlN高导热陶瓷基板，并配备铜散热板和散热风扇，有效地提高了集成光源的散热性能。由于其极高的输出功率，深紫外LED集成光源展示了优异的杀菌效果。对于表面杀菌场景，1 s内即实现了对距离5 cm处的金黄色葡萄球菌、大肠杆菌及白色念珠菌等多种代表性致病菌的99.9%以上的杀灭。对于空气杀菌场景，通过将其与L型铝制风管（带有鼓风风扇）结合制备而成的空气杀菌模组，30 min内实现了对20 m3空间内空气中的白色葡萄球菌超过97%的杀灭。同时，采用三种不同波长的深紫外LED集成光源进行了最佳杀菌波长的探索，结果表明，在相同辐照剂量下，对于金黄色葡萄球菌，265 nm和255 nm紫外线的杀灭率相当，均大于275 nm紫外线的杀灭率，说明其最佳杀菌波长可能在260 nm左右，与DNA的吸收峰相吻合。该工作展示了高功率深紫外LED集成光源的优异杀菌效果，以及未来在杀菌消毒领域应用中的巨大潜力。后续，该团队将继续基于新开发的高电光效率（WPE>5%）、多发光波长（255~325 nm）的UVC/UVB-LED芯片，进行更高功率的紫外LED集成光源的开发及应用场景探索。 Watts-level ultraviolet-C LED integrated light sources for efficient surface and air sterilization Wei Luo, Tai Li, Yongde Li, Houjin Wang, Ye Yuan, Shangfeng Liu, Weiyun Wang, Qi Wang, Junjie Kang, Xinqiang Wang J. Semicond. 2022, 43(7): 072301 doi: 10.1088/1674-4926/43/7/072301 4 一款内嵌无参考时钟CDR的26-Gb/s CMOS光接收机芯片系统 在高速高密的通信应用中，由于传统的电互连方案在成本、能量效率、信道带宽（BW）、串扰（XT）和电磁干扰（EMI）等方面渐渐失去了竞争力，其替代方案一短距光互连方案已经崭露头角。与其他III-V族化合物技术（如基于GaAs、InP的设计）相比，基于互补金属氧化物半导体（CMOS）的光电集成电路（OEICs）能以极低的制造成本和更高的集成度广泛地应用于高速通信。因此，基于CMOS的光互连可作为下一代云计算和大数据应用的一个富有潜力的候选方案。 近日，南方科技大学潘权教授课题组设计并测试验证了一款基于65 nm CMOS的速率为26-Gb/s的CMOS光接收机，包括一个光接收前端和一个内置12-dB均衡的无参考的全速率时钟和数据恢复（CDR）电路，目标是用于100GbE光通信。 本设计的亮点首先在于设计了一个基于反相器的三电感峰化的伪差分TIA。采用并联峰化反馈电感(Lf)和输入串联峰化电感(Ls)对电路的带宽进行扩展。同时后级连接的基于电流模逻辑(CML)的TIA缓冲级，既能起到直流电平偏移的抑制作用，又能缓解差分输出的失配，以增强DOC级直流电压偏移消除能力。这种基于反相器的TIA加TIA缓冲器的拓扑结构相较于传统的TIA结构，可以实现更好的跨阻增益，更高的带宽，以及更少的直流偏移失配。其次，为了减轻工艺、电压和温度的偏差带来的影响，VGA的增益和负载网络是由一个00000到11111的5位数字控制，从而补偿整个前端的增益变化以提供足够的摆幅驱动CDR。最后，在CDR中设计了均衡延时单元，均衡延时单元可以在不改变延时特性的同时提升高频增益。为了节省CDR的面积，此设计使用了堆叠电感技术，在未来的研究中，该技术还可以用于光前端设计，进一步减小芯片面积。该CDR还使用了相位和频率检测环路，使得时钟恢复不需要参考时钟，减轻了传输线的布局压力。芯片最终的测试结果表示，与其他采用光前端和CDR的工作相比，该工作在能量效率和恢复的时钟抖动方面都有显著提高。 J. Semicond. 2022, 43(7): 072401 doi: 10.1088/1674-4926/43/7/072401 5 (Ca,K)(Zn,Mn)2As2 : 电荷和自旋分离的新型磁性半导体 近年来，一系列与铁基高温超导具有相似晶格结构的块状磁性半导体被陆续报道。在这些化合物中，Mn2+取代 Zn2+引入自旋，碱(或碱土)原子取代具有更高价态的原子引入空穴载流子。 通过在母化合物CaZn2As2中进行（Mn,Zn） 和（Ca,K） 替换引入自旋和载流子， 浙江大学宁凡龙教授研究组成功地制备了一种新型的块状磁性半导体(Ca,K)(Zn,Mn)2As2， 最高居里温度为~7 K，矫顽力场为~60Oe。本文详尽地描述了该材料的晶格结构、磁性和电学性质， 实验结果表明， K 和 Mn 共掺杂的样品仍然表现为半导体特性。这个新材料为磁性半导体家族增加了一个新成员，将有助于理解磁性半导体中的铁磁长程有序的一般机制。 图1. (a) (Ca1−2xK2x)(Zn1−xMnx)2As2 (x = 0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2) 在100 Oe外场的零场冷却(ZFC)和场冷却(FC)条件下的温度与直流磁化强度的关系。(b) (Ca1−2xK2x)(Zn1−xMnx)2As2 (x = 0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2) 磁化强度随温度的一阶导数。箭头表示居里温度(TC)为x = 0.05。(c) (Ca1−2xK2x)(Zn1−xMnx)2As2 (x = 0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2) 的M−M0随温度的变化相反。直线为拟合线，空心符号为数据点。箭头表示x = 0.05时的Weiss温度(θ)。(d) 2K下(Ca1−2xK2x)(Zn1−xMnx)2As2 (x = 0.025, 0.05, 0.1, 0.15, 0.2) 的等热磁滞测量。 doi: 10.1088/1674-4926/43/7/072501 6 通过在GaN层中插入光子晶体提高InGaN基绿光LED的In组分的并入 氮化物基材料被认为是非常有前途的半导体材料用于高亮度发光二极管（LED）和高功率高频器件在由于其直接带隙和宽带隙（0.7-6.2 eV）。InGaN基多量子阱LED被广泛应用于全彩显示、景观照明、交通信号灯等由于其具有高效率、寿命场、尺寸小的优势。尽管在制作绿光LED已经有了很大的进步，提高InGaN/GaN 多量子阱中In组分的并入仍是获得长波长高性能绿光LED的障碍瓶颈。其中一个导致In组分的并入的困难是由于外延层中存在的应力，这是由于蓝宝石衬底和GaN晶格常数失配和热膨胀系数失配造成的。c面蓝宝石上生长的GaN中的主要应变源于热系数不相容性（62%）和晶格常数差（13%）。在2英寸蓝宝石衬底上生长的GaN层，其压应力可达到200 MPa，晶片的弯曲可达到60微米，这对于大规模生长是不可接受的。因此，因为GaN异质外延形成的应力对于In组分的并入有着非常重要的影响。 中国科学院半导体研究所王军喜课题组通过在GaN层中插入光子晶体提高InGaN基绿光LED的In组分的并入。光子晶体的采用得到了张应力的释放。应力释放可归因于Ph-C基质中的应变晶格恢复和Ph-C空隙上的GaN赝晶外延。此外，XRD和AFM结果表明插入光子晶体可以提高晶体质量。通过插入光子晶体，绿光LED的In组分并入得到了提升，这导致了波长红移了6 nm。20 mA下绿光LED的光输出功率提高了10.65%。 图1. 制备光子晶体的示意流程图。 图2.（a）室温下对照和光子晶体LED的PL光谱。(b) 不同电流下对照和光子晶体LED的EQE。(c) 不同电流下对照和光子晶体LED的光输出功率。 Improving the incorporation of indium component for InGaN-based green LED through inserting photonic crystalline in the GaN layer Yunqi Li, Xinwei Wang, Ning Zhang, Xuecheng Wei, Junxi Wang J. Semicond. 2022, 43(7): 072801 doi: 10.1088/1674-4926/43/7/072801
文章信息：
A 26-Gb/s CMOS optical receiver with a reference-less CDR in 65-nm CMOS
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https://blog.sciencenet.cn/blog-3406013-1345252.html
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