我院后摩尔器件与集成系统中心在新型器件领域多项研究工作取得重要进展

发布者:闻天明发布时间:2020-04-03浏览次数:132

作为“十四五”信息技术产业发展的重点方向,集成电路是支撑经济社会发展和保障国家安全的战略性、基础性和先导性产业。当前,全球集成电路产业正处于一个重大调整的变革期,随着“超越摩尔定律”时代的到来,探索和利用新材料、新物理、新技术以解决器件的能量损耗,进而突破传统计算能效瓶颈,是未来新型信息化应用的主要研究方向。我院后摩尔器件与集成系统中心致力于新型器件、电路和系统的研究和应用,以实现高能效计算服务新型应用为目标。中心依托与上海集成电路研发中心、华力微电子、兆芯集成电路有限公司合作成立的上海科技大学微电子中心平台,近期在新型器件领域开展了多项研究工作,并取得了重要进展。

寇煦丰教授课题组与上海集成电路研发中心胡少坚博士团队合作,对采用华力微电子40纳米低功耗工艺的CMOS逻辑器件进行了全尺寸的变温测试实验,在分析其低温行为的基础上,对该工艺节点进行建模,开发了一套具有自主知识产权、能够覆盖10K至298K全温区全尺寸的BSIM集约化模型与工艺设计套件。该项工作为低温CMOS集成电路设计和应用奠定了坚实的基础,相关研究成果以“Temperature-Driven Gate Geometry Effects in Nanoscale Cryogenic MOSFETs”为题发表在IEEE Electron Device Letters上。寇煦丰课题组2019级博士研究生王泽伟和2016级本科生唐志东为文章的共同第一作者,信息学院2016、2017级多名本科生参与工作,充分展现了信息学院本科生扎实的基本功与创新思维。项目获得了上科大启动基金、科技部国家重点研发计划、中科院战略先导科技专项(A类)、国家自然科学基金面上/青年项目、以及上海市青年科技英才扬帆计划的大力支持。

图1:采用HLMC 40LP工艺的纳米级MOSFET低温性能测试与全温区全尺寸低温CMOS器件集约模型的验证

同时,作为低温电子学另一重要研究方向,氮化镓肖特基二极管器件具有电子迁移率高、泄漏电流小等优异特性,未来有望应用于空间站等极端环境下的电子设备,大数据存储中心及低温超导电路等领域。邹新波教授课题组针对低温环境下工作的新型氮化镓肖特基势垒二极管(GaN SBD)器件提出了一种修正的热电子发射扩散模型。该方法从热电子发射扩散模型的物理公式出发,考虑了理想因子在极低温下增大的情况,提出了一种描述低温环境下肖特基二极管正向导通特性的物理机制,并解释了I-V法和C-V法提取出肖特基势垒高度不一致的原因。同时在反向漏电机制方面,基于大范围温度下获取的J-V-T曲线,研究人员分别用三种物理机制精确地进行分区描述。该工作还采用深能级瞬态谱仪,原位获取了该器件的四个陷阱能级,并讨论了他们在低温下对漏电的抑制作用。相关研究成果以“Electrical characterization of GaN Schottky barrier diode at cryogenic temperatures”为题近期在Applied Physics Letters上发表。邹新波课题组2019级硕士硕士生陈嘉祥是第一作者,2019级硕士生朱敏为第二作者。本项研究得到了上海科技大学启动资金,上海市浦江人才计划及中科院先导科技专项(A类)的支持。

图2:极低温环境下氮化镓肖特基势垒二极管正向导通特性及修正的热电子发射扩散模型拟合结果示意图与器件在不同温度和电压区间内的反向漏电机制示意图

此外,在带间级联激光器激光物理领域,王成教授课题组一方面首次提出带间级联激光器的速率方程模型。速率方程是广泛应用于研究激光器行为的有力理论工具。但是自1997年带间级联激光器问世以来,一直缺少相应的速率方程模型。这一模型的提出对于激光器的物理机制、性能研究和优化设计领域具有极其重要的意义。另一方面,课题组首次提出了带间级联激光器的线宽增加因子。研究发现其小于传统量子阱激光器的线宽增加因子,但是大于量子级联激光器的数值。线宽增加因子是半导体激光器的最重要最基本的物理参数之一,决定了包括光谱线宽、频率啁啾、非线性动力学在内的很多性能。揭示该参数的大小对于设计气体光谱检测系统有重要的指导意义。相关研究成果分别以“Rate equation modeling of interband cascade lasers on modulation and noise dynamics”和“Linewidth broadening factor of an interband cascade laser”为题发表在IEEE Journal of Quantum Electronics和Applied Physics Letters上。王成课题组2018级硕士生邓禹为两篇论文的第一作者,相关研究得到了国家自然科学基金和上海浦江学者项目的资助。

图3:带间级联激光器线宽增加因子测量装置及测量结果

文章链接:

https://ieeexplore.ieee.org/document/9050739

https://doi.org/10.1063/1.5131337

https://ieeexplore.ieee.org/document/8986610

https://aip.scitation.org/doi/full/10.1063/1.5123005