《電子技術(shù)應(yīng)用》
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上海交大在異質(zhì)異構(gòu)集成毫米波雷達(dá)系統(tǒng)研究取得重要進(jìn)展,!

2021-09-14
來源: 微波射頻網(wǎng)
關(guān)鍵詞: 上海交大 毫米波雷達(dá)

  射頻電子技術(shù)是無線通信,、物聯(lián)網(wǎng),、雷達(dá)導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域的核心技術(shù),。以III-V族為代表的化合物半導(dǎo)體電路由于優(yōu)異的材料與器件高頻性能,,很適合射頻應(yīng)用,,但其集成度和復(fù)雜功能等性能不足,,成本高,。硅基工藝電路雖然集成度大,、成本低,但噪聲,、功率,、動態(tài)范圍等性能不足,并且摩爾定律已面臨極限,。

  射頻異質(zhì)集成電路可將GaAs,、InP等化合物半導(dǎo)體材料的高性能射頻元器件、芯片與硅基低成本,、高集成度,、高復(fù)雜度的數(shù)字和模擬混合電路模塊,通過異質(zhì)生長或鍵合等方式集成為一個(gè)完整的2~3維集成電路,,充分發(fā)揮了各種材料,、器件與結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢。

  射頻異質(zhì)集成電路是當(dāng)前射頻電子技術(shù)的主流發(fā)展方向之一,美國,、歐洲,、日本等都非常重視,近10年投入大量物力,、人力進(jìn)行研發(fā),,如美國DARPA 設(shè)立了硅基化合物半導(dǎo)體材料(COSMOS)和多樣化可用異質(zhì)集成(DAHI)2個(gè)計(jì)劃。

  上海交大在異質(zhì)異構(gòu)集成毫米波雷達(dá)系統(tǒng)研究取得重要進(jìn)展,!

  近日,,上海交大電子信息與電氣工程學(xué)院電子工程系毛軍發(fā)院士、周亮教授課題組在IEEE Journal of Solid-State Circuits(JSSC)上發(fā)表了低損耗異質(zhì)異構(gòu)集成W波段毫米波雷達(dá)系統(tǒng)最新研究成果,。

  IEEE固態(tài)電路期刊(JSSC)是國際集成電路領(lǐng)域最高級別期刊之一,,代表著業(yè)內(nèi)當(dāng)前最高技術(shù)水平,旨在發(fā)布集成電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域的最新技術(shù)進(jìn)展和紀(jì)錄性成果,。

  創(chuàng)新成果

  異質(zhì)異構(gòu)集成毫米波雷達(dá)使用自主研發(fā)的硅基MEMs光敏復(fù)合薄膜多層布線工藝,,三維集成了硅基鎖相環(huán)芯片、SiGe收發(fā)芯片,、GaN功率放大芯片,、封裝天線和電容等無源元件。雷達(dá)探測距離大于800米,,最高分辨率優(yōu)于0.08米,,重量僅為78克,綜合性能指標(biāo)世界領(lǐng)先,。

  該成果突破了多芯片精準(zhǔn)定位和多層介質(zhì)微小圖形制備等關(guān)鍵技術(shù),,大幅縮短芯片間、芯片與無源器件間的互連長度,,降低了互連損耗,,克服了化合物半導(dǎo)體互連結(jié)構(gòu)與硅基半導(dǎo)體器件后道工藝兼容性不足的難題,同時(shí)很好地處理了布線間的串?dāng)_和芯片間的電磁兼容問題,。

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  圖1 異質(zhì)異構(gòu)集成毫米波雷達(dá)

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  圖2 異質(zhì)異構(gòu)集成毫米波雷達(dá)的距離探測

  當(dāng)前,,摩爾定律已面臨物理、技術(shù)與成本極限的多重挑戰(zhàn),,集成電路在沿著摩爾定律預(yù)測的尺寸縮小路徑艱難發(fā)展的同時(shí),,亟需開辟新的方向,繞道摩爾定律繼續(xù)發(fā)展,。三維異質(zhì)異構(gòu)集成能夠突破單一半導(dǎo)體工藝電路的性能,、功能極限,實(shí)現(xiàn)集成電路由硅或化合物半導(dǎo)體單一同質(zhì)工藝集成向異質(zhì)集成,、由平面集成向三維集成,,是后摩爾時(shí)代集成電路發(fā)展的主流方向,,也是我國集成電路變道超車發(fā)展的突破口和歷史機(jī)遇。該成果研制的工藝和設(shè)計(jì)技術(shù)必將促進(jìn)異質(zhì)異構(gòu)技術(shù)的快速發(fā)展,。

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  圖3 硅基MEMs光敏復(fù)合薄膜多層布線工藝完成人

  該項(xiàng)工作完成人:上海交通大學(xué)的博士生楊曉,、黃銀山、趙哲,、倪冬欣,、張成瑞實(shí)驗(yàn)師、周亮教授,、毛軍發(fā)教授以及中國工程物理研究院微系統(tǒng)與太赫茲研究中心的合作者程序博士,、韓江安博士、鄧賢進(jìn)研究員,。

  Xiao Yang, Yin-Shan Huang*, Liang Zhou*, Zhe Zhao, Dong-xin Ni, Cheng-rui Zhang , Jun-Fa Mao, Jiang-An Han, Xu Cheng, and Xian-Jin Deng,, “Low-Loss Heterogeneous Integrations with High Output Power Radar Applications at W Band”, IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2021.DOI: 10.1109/JSSC.2021.3106444.

  毛軍發(fā)院士:異質(zhì)集成電路是繞道摩爾定律的途徑之一

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  中國科學(xué)院院士,,上海交通大學(xué)黨委常委,、副校長毛軍發(fā)

  2021年6月9日,以“創(chuàng)新求變,,同‘芯’共贏”為主題的2021世界半導(dǎo)體大會在南京召開,。中國科學(xué)院院士,上海交通大學(xué)黨委常委,、副校長毛軍發(fā)在大會高峰論壇上介紹了異質(zhì)集成電路的發(fā)展,。

  據(jù)毛軍發(fā)介紹,芯片現(xiàn)有兩條主要發(fā)展路線,,一是延續(xù)摩爾定律,,二是繞道摩爾定律。如今摩爾定律正面臨各種挑戰(zhàn),,而繞道摩爾定律有很多途徑,,異質(zhì)集成電路就是其中之一。

  毛軍發(fā)說,,所謂半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路,就是將不同工藝節(jié)點(diǎn)的化合物半導(dǎo)體高性能器件或芯片,、硅基低成本高集成器件芯片,,與無源元件或天線,通過異質(zhì)鍵合成或外延生長等方式集成而實(shí)現(xiàn)的集成電路,。

  毛軍發(fā)表示,,異質(zhì)集成電路特色很突出,基于這些特色的優(yōu)點(diǎn)也很突出,,正因?yàn)檫@些優(yōu)點(diǎn),,使之成為超越摩爾定律的重要路線之一。

  在半導(dǎo)體異質(zhì)集成電路中,有一種特殊的集成電路叫毫米波異質(zhì)集成電路,。毛軍發(fā)認(rèn)為,,它能滿足很多需求,從5G,、6G,、航天導(dǎo)航到無人駕駛、智能裝備,、物聯(lián)網(wǎng)等都需要毫米波技術(shù),,其次毫米波系統(tǒng)往往包括數(shù)字電路、模擬電路,、射頻微波電路,,所以對于異質(zhì)集成更加迫切。當(dāng)然,,毫米波異質(zhì)所面臨的挑戰(zhàn)和問題也更為嚴(yán)峻和復(fù)雜,。因?yàn)楹撩撞l率高,具有分布式參數(shù),,本質(zhì)是從“路”向場演變,,設(shè)計(jì)更加困難,其次設(shè)計(jì)工藝和測試都更復(fù)雜,。

  針對異質(zhì)集成電路面臨的問題,,毛軍發(fā)提出總體研究思路:打破集成電路傳統(tǒng)“路”的思路,向場演變,,進(jìn)行多學(xué)科交叉,,包括電子科學(xué)與技術(shù)、物理學(xué),,特別是人工智能對電路的設(shè)計(jì),,需要力學(xué)、化學(xué),、材料等等多學(xué)科交叉開展研究,。

  



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