16 MEMS微波功率检测芯片的分布式静态模型

近几十年来，微机电系统（MEMS）发展迅猛，已广泛应用于诸多领域，典型应用包括MEMS功率传感器、压电能量采集器、MEMS光栅、MEMS 真空泵以及MEMS开关。在功率传感领域，传统结构主要分为热电式与电容式两类。其中，热电式结构线性度更优，电容式结构则具备更高的灵敏度。随着功率传感技术逐步向X波段发展，行业对器件灵敏度的要求不断提升，电容式结构由此成为主流方案。此外，电容式结构又可细分为悬臂梁结构与固支梁结构两种类型。现有微波功率检测传感器的研究主要分为三大方向：结构创新、建模方法优化、新型制备工艺与材料研发。目前已有大量技术手段用于提升该类传感器的微波性能，但相关研究大多仅聚焦于 MEMS电容式传感器梁结构的力学与电磁特性，忽略了大功率工况下热效应对器件性能带来的影响。

近日，南京邮电大学王德波课题组为深入探究MEMS器件热-机-电耦合特性、提升功率检测芯片微波性能，针对现有微波功率传感器研究多聚焦结构、模型、工艺材料优化，却忽略大功率热效应影响器件性能的研究短板，开展了系统性研究并取得了系列成果。课题组提出了一套完善的MEMS微波功率检测理论模型，在建模过程中充分计入边缘电容效应，优化完善了平行板电容计算方式，有效提升了输出电容的计算精度；同时引入挤压膜阻尼与热弹性阻尼对悬臂梁二阶振动模型进行优化改进，通过研究证实，挤压膜阻尼是悬臂梁振动分析中不可忽略的关键因素，而热弹性阻尼的影响可忽略不计。研究借助有限元仿真软件开展悬臂梁热变形分析，结果表明，MEMS悬臂梁会随温度升高呈现线性热膨胀特性。此外，课题组通过分析芯片传输损耗特性，建立了输入功率与器件温升的关联机制。在此基础上，课题组研制并制备新型双通道微波检测芯片，对器件的微波性能、灵敏度及频率特性开展了全面的测试与理论分析。实测结果表明，该芯片在9 GHz中心频率下回波损耗达到-66.46 dB，阻抗匹配性能最优，实测灵敏度可达65.6 fF/W；悬臂梁实测谐振频率为115.7 kHz，与输入信号频率存在数量级差异，使传感器稳定工作于非谐振状态，有效保证了器件的工作线性度与可靠性。

该研究构建的精细化热-机-电耦合模型，有效弥补了传统研究的不足，完善了MEMS微波功率检测芯片的理论分析体系，可为该类器件的结构设计、性能优化与工程应用提供重要的理论指导与技术参考。

图1.  200℃下MEMS悬臂梁的热变形仿真图。

图2. FEM仿真结果。

该文章以题为“Study on the thermo-electromechanical coupling model of the dual-channel microwave power detection chip”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Study on the thermo-electromechanical coupling model of the dual-channel microwave power detection chip

Ruifeng Li, Debo Wang

J. Semicond., 2026, 47(6): 062303 doi: 10.1088/1674-4926/25120026

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17 氮化硅-铌酸锂异质集成电光调制器的优化设计

铌酸锂因其优异的电光系数、低光学损耗和宽透明窗口，被广泛认为是下一代高性能调制器的理想光子平台。近年来，研究者提出了将薄膜铌酸锂与硅、氮化硅、二氧化硅等其他光子材料进行异质集成的方案，从而在发挥薄膜铌酸锂强电光特性的同时，受益于集成材料的低损耗和工艺简便性，但如何在调制效率、带宽及两者之间的权衡等多方面持续优化性能，仍是一项充满挑战的工作。

近日，宁波甬江实验室万青教授及其团队提出了一种氮化硅-铌酸锂薄膜异质集成电光调制器的最优设计方案。该方案采用300 nm厚的薄膜铌酸锂和300 nm厚的氮化硅加载波导构成异质集成结构，通过对介质层厚度、电极参数进行系统性地优化，满足速率匹配与阻抗匹配要求，最终实现3 dB电光带宽超过200 GHz。同时，该研究揭示了降低二氧化硅缓冲层厚度对于实现速率匹配的关键作用，并展示了可实现大于120 GHz的带宽且半波电压长度积（Vπ·L）低于4 V·cm的多种结构配置组合。

该最优设计方案为高性能电光调制器的设计提供了系统化的设计指导，在带宽、调制效率和损耗三者之间给出了可同时兼顾的优解区间。研究成果不仅展示了氮化硅-铌酸锂异质集成结构在高数据速率光通信中的巨大潜力，也为后续在硅基光电子平台上批量化制造高性能异质集成调制器奠定了理论和技术基础。

图1.（a）异质集成氮化硅-铌酸锂调制器的截面结构；（b）G和H_Clad对V_π·L及α_el的影响随电极结构变化；（c）调制器结构尺寸对光学及电学参数的标准化影响；（d）在不同介电层厚度条件下，Z₀和n_RF在100 GHz频率下的分布（G∈[3,7] μm，W_sig∈[8,20] _μm，H_Au∈[0.5,1.5 μm）；针对四个象限中选定的八个子集，（e）Z₀、（f）n_RF、（g）α_m及（h）电光响应随频率变化的关系。

该文章以题为“Optimal design of heterogeneously integrated silicon nitride-lithium niobate modulator”发表在Journal of Semiconductors上。

文章信息：

Optimal design of heterogeneously integrated silicon nitride-lithium niobate modulator

Rui Zhao, Haizhong Weng, Qing Wan

J. Semicond., 2026, 47(6): 062401 doi: 10.1088/1674-4926/25120032

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18 Mg扩散增强欧姆接触实现高性能刻蚀p-GaN垂直型P-i-N二极管

近年来，垂直型GaN功率器件凭借高击穿电场、低导通损耗以及优异的热管理能力，在新能源汽车、数据中心和智能电网等领域展现出广阔应用前景。其中，以GaN UMOSFET为例的垂直型器件通常采用埋层p-GaN结构，即将p型体区埋置于外延层内部，并通过刻蚀暴露形成体接触，以实现沟道调控和器件正常工作。然而，在器件制造过程中，ICP刻蚀会在p-GaN表面引入氮空位等施主型缺陷，导致表面p型特性退化、空穴注入势垒升高以及欧姆接触性能恶化，从而影响器件导通能力和长期可靠性。因此，如何克服刻蚀损伤并恢复高质量p型欧姆接触，已成为制约垂直型GaN功率器件进一步发展的关键问题之一。

为了更清晰地研究Mg扩散对刻蚀损伤及载流子输运行为的影响，长春理工大学秦旭磊团队与中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所于国浩团队合作，选取结构相对简单的垂直型GaN P-i-N二极管作为验证平台。相比UMOSFET，P-i-N二极管不存在沟道调控和栅介质界面效应等复杂因素，更有利于直接揭示刻蚀p-GaN欧姆接触特性及其对器件输运机制的影响。相关研究成果以“Enhanced performance of etched p-GaN p−i−n diodes via Mg diffusion-enabled Ohmic contacts”为题发表于《半导体学报（英文）》2026年第47卷第6期。

针对刻蚀p-GaN表面存在的损伤问题，研究团队提出了一种刻蚀后Mg扩散技术。通过高温扩散使Mg重新引入刻蚀损伤区域，在p-GaN表面形成高浓度p⁺层，从而有效补偿刻蚀诱导缺陷并恢复表面p型导电特性。利用圆形传输线模型（CTLM）测试发现，经优化Mg扩散处理后，比接触电阻降低至6.52×10⁻⁴ Ω·cm²，相比未经处理样品下降近两个数量级，表明欧姆接触性能得到显著改善。

为进一步揭示其物理机制，研究团队结合X射线光电子能谱（XPS）与二次离子质谱（SIMS）进行了系统分析。结果表明，Mg扩散使p-GaN表面价带顶位置由距离费米能级约2.0 eV移动至1.1 eV，显著降低了金属/p-GaN界面的空穴注入势垒；同时，SIMS测试证实Mg在表面区域富集并形成高浓度p⁺层，共同促进了低电阻欧姆接触的形成。

基于优化后的欧姆接触工艺，研究团队成功制备了垂直型GaN P-i-N二极管。实验结果表明，Mg扩散处理后器件开启电压由9.4 V降低至3.3 V，比导通电阻由2.38 mΩ·cm²降低至0.92 mΩ·cm²，开关比提升至10¹⁰，表现出优异的正向导通能力和低导通损耗特性。

更重要的是，研究团队通过变温电流-电压测试揭示了Mg扩散改善器件性能的深层物理机制。未经处理器件在整个测试温区内均表现出正温度系数特征，未观察到零温度系数（Zero Temperature Coefficient，ZTC）交叉点，其载流子输运主要受刻蚀损伤诱导的缺陷/陷阱辅助隧穿机制主导。相比之下，Mg扩散处理后的器件出现了明显的ZTC特征：在低偏压区电流随温度升高而增加，而在ZTC电压以上则表现出负温度系数特征，即电流随温度升高而下降。这表明器件主导输运机制已由缺陷/陷阱辅助隧穿逐渐转变为热激活主导的本征p-n结输运行为，并开始受到GaN体材料迁移率退化效应的影响。该结果从输运机理层面证明了Mg扩散不仅改善了接触特性，更有效抑制了刻蚀诱导缺陷态对器件导电行为的影响，实现了器件本征输运特性的恢复。

此外，在长期正向偏置应力测试中，Mg扩散器件导通电压漂移仅为0.028 V，远低于未经处理器件的0.18 V，表明其具有更加优异的工作稳定性和可靠性。

该研究为解决垂直型GaN器件体接触区域的损伤提供了一种简单有效且具有良好工艺兼容性的解决方案。相关技术有望进一步应用于垂直型GaN UMOSFET及其他采用埋层p-GaN结构的功率器件，为实现高性能、高可靠性的GaN功率电子系统提供新的技术途径。

图1.（a）垂直型GaN P-i-N二极管外延结构；（b）垂直型GaN P-i-N二极管结构示意图；（c）Mg扩散处理前后ICP刻蚀p-GaN欧姆接触的电流–电压特性比较；（d）基于XPS分析得到的Mg扩散前后p-GaN表面价带顶位置变化示意图；（e） SIMS测得的Mg元素浓度深度分布。

图2.（a）Mg扩散处理前后器件正向电流–电压特性比较（线性坐标）；（b）Mg扩散处理前后器件正向电流–电压特性比较（半对数坐标）；（c）未经Mg扩散处理器件的变温正向电流密度–电压特性；（d）经Mg扩散处理器件的变温正向电流密度–电压特性; （e）两种器件在正向导通偏置应力下导通电压漂移的比较。

文章信息：

Enhanced performance of etched p-GaN p−i−n diodes via Mg diffusion-enabled Ohmic contacts

Liying Ding, Xulei Qin, Guohao Yu, Jiaan Zhou, Yu Li, Chunfeng Hao, Huixin Yue, Yuxiang Zhang, Jinxia Jiang, Jiawei Ye, Zhongming Zeng, Baoshun Zhang

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