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上海交大在异质异构集成毫米波雷达系统研究取得重要进展!

2021-09-14
来源: 微波射频网

  射频电子技术是无线通信,物联网,雷达导航等应用领域的核心技术。以III-V族为代表的化合物半导体电路由于优异的材料与器件高频性能,很适合射频应用,但其集成度和复杂功能等性能不足,成本高。硅基工艺电路虽然集成度大,成本低,但噪声,功率,动态范围等性能不足,并且摩尔定律已面临极限。

  射频异质集成电路可将GaAs,InP等化合物半导体材料的高性能射频元器件,芯片与硅基低成本,高集成度,高复杂度的数字和模拟混合电路模块,通过异质生长或键合等方式集成为一个完整的2~3维集成电路,充分发挥了各种材料,器件与结构的优势。

  射频异质集成电路是当前射频电子技术的主流发展方向之一,美国,欧洲,日本等都非常重视,近10年投入大量物力,人力进行研发,如美国DARPA 设立了硅基化合物半导体材料(COSMOS)和多样化可用异质集成(DAHI)2个计划。

  上海交大在异质异构集成毫米波雷达系统研究取得重要进展!

  近日,上海交大电子信息与电气工程学院电子工程系毛军发院士,周亮教授课题组在IEEE Journal of Solid-State Circuits(JSSC)上发表了低损耗异质异构集成W波段毫米波雷达系统最新研究成果。

  IEEE固态电路期刊(JSSC)是国际集成电路领域最高级别期刊之一,代表着业内当前最高技术水平,旨在发布集成电路w88领域的最新技术进展和纪录性成果。

  创新成果

  异质异构集成毫米波雷达使用自主研发的硅基MEMs光敏复合薄膜多层布线工艺,三维集成了硅基锁相环芯片,SiGe收发芯片,GaN功率放大芯片,封装天线和电容等无源元件。雷达探测距离大于800米,最高分辨率优于0.08米,重量仅为78克,综合性能指标世界领先。

  该成果突破了多芯片精准定位和多层介质微小图形制备等关键技术,大幅缩短芯片间,芯片与无源器件间的互连长度,降低了互连损耗,克服了化合物半导体互连结构与硅基半导体器件后道工艺兼容性不足的难题,同时很好地处理了布线间的串扰和芯片间的电磁兼容问题。

  图1 异质异构集成毫米波雷达

  

  图2 异质异构集成毫米波雷达的距离探测

  当前,摩尔定律已面临物理,技术与成本极限的多重挑战,集成电路在沿着摩尔定律预测的尺寸缩小路径艰难发展的同时,亟需开辟新的方向,绕道摩尔定律继续发展。三维异质异构集成能够突破单一半导体工艺电路的性能,功能极限,实现集成电路由硅或化合物半导体单一同质工艺集成向异质集成,由平面集成向三维集成,是后摩尔时代集成电路发展的主流方向,也是我国集成电路变道超车发展的突破口和历史机遇。该成果研制的工艺和w88技术必将促进异质异构技术的快速发展。

  

  图3 硅基MEMs光敏复合薄膜多层布线工艺完成人

  该项工作完成人:上海交通大学的博士生杨晓,黄银山,赵哲,倪冬欣,张成瑞实验师,周亮教授,毛军发教授以及中国工程物理研究院微系统与太赫兹研究中心的合作者程序博士,韩江安博士,邓贤进研究员。

  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.

  毛军发院士:异质集成电路是绕道摩尔定律的途径之一

  

  中国科学院院士,上海交通大学党委常委,副校长毛军发

  2021年6月9日,以“创新求变,同‘芯’共赢”为主题的2021世界半导体大会在南京召开。中国科学院院士,上海交通大学党委常委,副校长毛军发在大会高峰论坛上介绍了异质集成电路的发展。

  据毛军发介绍,芯片现有两条主要发展路线,一是延续摩尔定律,二是绕道摩尔定律。如今摩尔定律正面临各种挑战,而绕道摩尔定律有很多途径,异质集成电路就是其中之一。

  毛军发说,所谓半导体异质集成电路,就是将不同工艺节点的化合物半导体高性能器件或芯片,硅基低成本高集成器件芯片,与无源元件或天线,通过异质键合成或外延生长等方式集成而实现的集成电路。

  毛军发表示,异质集成电路特色很突出,基于这些特色的优点也很突出,正因为这些优点,使之成为超越摩尔定律的重要路线之一。

  在半导体异质集成电路中,有一种特殊的集成电路叫毫米波异质集成电路。毛军发认为,它能满足很多需求,从5G,6G,航天导航到无人驾驶,智能装备,物联网等都需要毫米波技术,其次毫米波系统往往包括数字电路,模拟电路,射频微波电路,所以对于异质集成更加迫切。当然,毫米波异质所面临的挑战和问题也更为严峻和复杂。因为毫米波频率高,具有分布式参数,本质是从“路”向场演变,w88更加困难,其次w88工艺和测试都更复杂。

  针对异质集成电路面临的问题,毛军发提出总体研究思路:打破集成电路传统“路”的思路,向场演变,进行多学科交叉,包括电子科学与技术,物理学,特别是人工智能对电路的w88,需要力学,化学,材料等等多学科交叉开展研究。

  



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