高压高频光机电异构集成微系统技术研究进展

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“集成微系统”(IMS)概念是从传统的“微系统”发展而来的，源于片上系统(SoC)、光子学微系统、微电子机械系统(MEMS)、系统级封装(SIP/SOP)等领域。2004年，美国国防先进研究计划局（DARPA）重新定义了微系统，将其内涵概括为“电子学、光子学、MEMS、架构、算法”五大技术与“传感+处理+通信+执行+能源”五大功能融为一体的系统，并称其为“集成微系统”和超越摩尔定律（More Than Moore）的“下一代技术革命”。DARPA认为，集成微系统技术将在小型化、集成化、智能化和频谱开发等领域具有重大应用前景，是极具战略性、前沿性与革命性的新技术。

中国工程物理研究院(简称中物院)根据自身特点与需求，开展了独具特色的“强约束条件下高压高频光机电异构集成微系统技术”的研究，主要包含集成微系统材料、物理模型与架构技术、固态高压微系统技术、固态高频微系统技术、ASE-SoC技术、MEMS/NEMS技术、量子与光电融合微系统技术、微系统三维异构集成技术、微纳电真空技术和微电池技术等关键技术方向。

1  可扩展紧凑模型建模与并行数值模拟技术

紧凑模型(Compact Model)是描述构成电子学系统基本单位晶体管特性的半解析模型，是电子芯片与系统设计的基本条件。商用的紧凑模型不包含环境相互作用(如辐射等)效应的模型。针对此问题，发明了一种可扩展紧凑模型建模方法，基于此方法建立了PD SOI CMOS晶体管辐射效应紧凑模型，并针对大规模集成电路数值模拟的需求，与院高性能数值模拟软件中心合作开展了并行数值模拟技术研究，采用伪瞬态法解决了并行处理时的初值问题，获得了数值模拟软件DEV 0.1版(MACME)。

2  碳化硅固态高压微系统技术

固态高压微系统是一种基于新兴的宽禁带半导体等材料(碳化硅与氮化镓等)与先进的微纳加工技术，实现全固态化与集成化，并具备高压大电流的产生、控制与高压状态监测功能的新型微系统。固态高压微系统虽然基于微系统的思想(“片上系统”SoC和系统级封装“SiP”)，但是远远超过现有商用SoC与SiP技术所能达到的耐压与电流指标，可以实现原来需要较大体积，且难以集成的高电压系统的功能，还在耐压、峰值电流、抗辐射与可靠性方面有更大的潜力。2015年主要针对碳化硅固态高压微系统部分关键技术开展了研究。

2.1  SiC缓坡刻蚀与欧姆接触等工艺技术

SiC是典型的宽禁带半导体材料，其特性不同于Si、GaAs等半导体材料(例如硬度远远超过Si和GaAs)，工艺加工难度更大。为缓解高压电场集中效应，开发了基于垫片的SiC缓坡刻蚀技术，如图1(a)。通过SiO₂电介质为刻蚀硬掩膜，并采用垫片工艺控制条宽损失，有效改善SiC台面侧壁与底部的形貌。欧姆接触是实现器件电学性能至关重要的一道关键工艺，通过工艺开发与优化，实现了低接触电阻率的P型/N型欧姆接触，如图1(b)与1(c)。其中N型欧姆接触采用溅射工艺沉积150 nm金属Ni，比接触电阻率r =4.64′10^-6 Ω·cm²，基本上达到了国际水平，P型欧姆接触采用Ti/Ni/Al，其比接触电阻率r =5′10^-5Ω·cm²，达到国内先进水平。

 

 

 

 

 

 

 

(a) 缓坡刻蚀技术

 

 

 

 

 

 

 

 

U/V

            (b) N型欧姆接触                                    (c) P型欧姆接触

图 1  SiC微纳工艺技术研究

2.2  碳化硅高压双极器件设计与制备技术

碳化硅高压双极器件(如SiC PiN整流器及SiC GTO等)是碳化硅固态高压微系统的重要组成部分，通过自主器件设计，目前已实现4.5 kV SiC PiN整流器的研制，该整流器采用了基于横向变刻蚀技术的新型结终端扩散结构。该结构基于横向变刻蚀技术，采用一次离子注入与多次刻蚀的方法形成电荷的浓度梯度分布。器件实测阻断电压V_BR超过4 kV，正向导通电流I_F为7A@100 A/cm²，正向压降V_F为4.6 V，如图2所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

UR/kV

(a) 正向I-V特性                                 (b) 反向I-V特性

图 2  4 kV SiC PiN整流器

3  抗辐射晶体管技术

为了提高晶体管的抗辐射能力，基于SOI工艺改进现行常规晶体管结构，提出了一种新型H栅对称体接触晶体管结构，其特点是近距离的对称式体接触，大幅度降低辐射产生的光电流对晶体管电学性能的影响。为了解决单个晶体管在辐射条件下产生的光电流较小(μA量级)，在测量过程中，存在光电流被测试环境噪声淹没的问题，开展了微弱光电流测试系统研究，提出了多管并联的测试结构，大大提高了一定剂量率辐射效应下产生的可测光电流，降低了噪声干扰。在国内首次完成晶体管剂量率辐射下光电流的测试，验证了理论分析结果。为建立抗辐射加固基本单元库、集成电路及效应测试奠定了基础。

为了研究中子辐射二次产物造成存储器件的单粒子翻转问题，提出基于电荷共享理论的TCAD数值模拟技术，考虑真实的半导体器件响应，对中子二次产物相互作用及产生过剩载流子的过程、晶体管内部不同区域在中子辐射条件下的定量响应及对晶体管电学特性的影响进行了深入的研究，获得了14 MeV的中子与硅生成二次带电产物可以造成存储单元晶体管发生单粒子翻转，引发存储单元数据错误的结论。对静态存储器(SRAM)的抗中子单粒子效应研究具有指导意义。

自2010年以来，学术界以及美国SNL、NASA等科研机构已经对若干材料体系的阻变存储器抗辐射性能进行了初步探索，结果与预期基本吻合，阻变存储器很可能成为下一代辐射加固的非易失性存储器技术。设计制备了Cu/a-SiC/Au/Cr与Cu/a-SiC/Pt/Cr NVM晶体管，并对其阻变特性进行表征，建立器件特性参考值。进行NVM器件抗瞬时高剂量率辐照离线测试，并未发现状态扰动。如图3所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U/V

图 3  (a) NVM器件光刻版图设计，(b)NVM器件样片照片，以及获得的典型阻变存储器件I-V图：(c)为线性坐标系，(d)为电流取对数坐标，从图中可读取R_ON, R_OFF, V_SET, V_RESET等主要器件参数

4  基于物理不可克隆函数的量子认证技术

基于物理不可克隆函数(PUF)的量子认证是近年来提出的一种全新的身份认证思想，它不同于经典的物理实体认证和数学密码认证，也不同于量子密钥认证，它结合了实体中包含的无序结构的物理不可克隆特性与量子不可克隆原理，在使用时不需要产生、发送和存储密码，无需可信第三方中继，无需特殊传输渠道，量子钥匙(即用于认证的物理实体，可称为“PUF”)“独一无二”无法复制，可以保证“绝对安全”的身份合法性识别，在众多对授权安全性要求极高的领域，如重要装置的操作合法性控制、不可复制的银行卡与身份证等有着巨大的应用价值，具有十分重要的意义。2015年度在基于PUF的量子认证理论和实验方面，取得的研究进展如下。

(1)提出了三重安全机制的量子认证：(a)安全机制1。无序微纳光子结构的物理不可克隆特性；(b)安全机制2。量子态的不可克隆定理量子测不准原理；(c)安全机制3。防克隆可重构PUF，如图4所示。

图 4  基于三重安全机制的量子认证原理

(2)本项目首次提出针对光学PUF量子认证的量子克隆攻击，给出了在量子克隆攻击下错误认证的概率和解析公式，并证明了这种攻击方式要强于一般的态估计攻击。该成果被Quantum Information Processing收录，并被审稿人评价为“This paper constructs a solid foundation for further security proof of PUF-based quantum authentication systems”，如图5所示。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 5  量子克隆攻击及从量子到经典的信息流

(3)通过数值仿真，首次定性描述了光学PUF结构对认证性质影响，利用“颗粒随机填充法”和“网格划分结合随机位置填充法”两种方法对光学PUF的无序微纳结构进行建模，为PUF制备与评价提供了理论指导，如图6所示。 

 

图 6  (a)光学PUF结构示意图；(b) 激励光透过PUF分布图

(4)完成基于TiO₂，ZnO等材料的PUF样品制备与性能测试，如图7所示，提出了多种新型PUF理念及实现方法，对推动PUF量子认证的实用具有很大价值。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

图 7  制备的光学PUF样品及其SEM微观结构以及激励-响应特性

              

图 8  提出的光学PUF认证实验系统示意图

(5)在国内首次搭建了光学PUF经典认证演示系统，设计了波前反馈控制调节聚焦算法等新算法，可使认证速度、计算收敛速度和准确性提高数倍，如图8所示。

5  激光模拟半导体器件剂量率效应技术

众多应用场景中存在的辐射因素与半导体器件相互作用会引发电离等物理过程，严重影响器件乃至整个系统的工作性能。当前对半导体器件及系统的辐射效应进行设计和测试等主要依靠大型地面辐射模拟装置，但存在灵活性差、对人体等有损伤等诸多限制。激光模拟半导体器件剂量率效应是一种灵活、快捷、安全的辐射效应辅助研究手段，可对半导体器件剂量率效应进行较高置信度的模拟，可在实验室内对器件辐射响应进行研究及抗辐射加固设计等，具有重要的研究价值。2015年度在激光模拟辐射剂量率效应中的物理模型、器件仿真、激光模拟、地面验证四个环节都取得了较大进展。

建立了激光与半导体材料、器件相互作用的线性模型，给出了激光与半导体材料相互作用的温度三维分布模型以及损伤阈值，基本明确了激光与半导体材料相互作用的主要物理过程。研究了γ射线及激光与典型MOSFET、BJT器件相互作用产生的载流子浓度及分布，分析了g射线与激光产生的响应异同并建立了初步的对应关系。设计并搭建了国内首个激光模拟剂量率效应实验平台。测试了Si基典型商用器件以及自主设计的SOI MOS晶体管在激光辐照下的电离特性，获得了与地面辐射装置测试结果较好的一致性，证实了激光模拟方法的可行性与有效性，如图9、图10所示。

 

 

图 9  激光模拟辐射效应部分仿真及实验结果

图 10  激光模拟等效关系(剂量率vs激光能量)