【精品】硅基毫米波亚毫米波集成电路与系统的基础研究.doc

一、研究内容 为了将硅基集成电路拓展到毫米波亚毫米波频段，我们必须掌握硅基在该频段的基本电磁特性及其随频率、工艺等的变化规律，这是设计集成电路的基础。因此，毫米波亚毫米波频段硅基基本电磁特性与规律是本项目的关键科学问题之一。由于毫米波亚毫米波波长极短，硅基集成电路制造工艺的随机性误差将对无源电路电磁特性与性能造成显著影响，因此需要研究无源结构的电磁特性与规律及损耗机理，这是本项目的第二个关键科学问题。有源器件模型是集成电路设计的重要基础，对于新频段、新工艺，硅基有源器件建模将面临小尺度效应和场分布效应等方面的挑战。因此，有源器件的小尺度效应和场分布效应是本项目的第三个关键科学问题。 关键科学问题一：毫米波亚毫米波频段硅基基本电磁特性与规律 基本电磁特性是硅基工艺材料最本质的属性之一，准确认识毫米波亚毫米波频段硅基基本电磁特性与规律是电路设计的基础，然而我们在这方面的认识还相当有限，积累的知识还相当匮乏。在毫米波亚毫米波频段，硅基基本电磁特性及其随频率、工艺变化的规律与在低频时明显不同。于是，我们必须探索有效的理论与实验方法，以揭示毫米波亚毫米波频段硅基基电磁特性与规律，这是本项目需要解决的关键科学问题之一。 在微波频段和毫米波低频段，先验知识告诉我们，介质材料的损耗随频率的提高而增加，但一些学者的研究结果表明，在毫米波高频段和亚毫米波频段，高阻硅材料的介质损耗随频率上升反而呈明显的下降趋势。对CMOS等工艺中绝缘层硅化物材料，其在毫米波亚毫米波频段的介质特性随频率和工艺变化的规律还没有探明，这是我们必须首先研究的基本问题之一。随着频率的提高，硅工艺中的导体特性不再遵循基于静态场模型给出的规律，我们必须基于动态场模型得出其在毫米波亚毫米波频段的规律，这是必须研究的另一个基本问题。在毫米波亚毫米波频段，由于波长极短，导体表面工艺粗糙度将显著影响导体特性随频率的变化规律，这也是需要研究的一个基本问题。此外，我们还需研究硅工艺中介质层与导体层的互作用规律等问题。 围绕这一科学问题，本项目将开展针对毫米波亚毫米波频段硅基基本电磁特性的理论与测试方法的研究，揭示毫米波亚毫米波频段硅基基本电磁特性随频率、工艺变化的规律及其内在机理。该科学问题的解决将为开展硅基毫米波亚毫米波无源和有源电路的理论和实验研究奠定基础。 关键科学问题二：硅基毫米波亚毫米波无源结构的电磁特性与规律及损耗机理 硅基无源结构的模型与设计方法是毫米波亚毫米波频段硅基集成电路设计的重要基础。导波结构、谐振器、滤波器、耦合器、阻抗变换器、双工器、功率分路/合路器、移相器、Balun、电容、电感、电阻、天线及阵列等硅基无源结构的电磁特性，如传播常数、谐振频率、品质因数（Q值）、损耗、辐射效率等取决于材料特性、结构形式和场模式等诸多因素。探索提高Q值、辐射效率等的机理和确定传播常数、谐振频率等的途径需基于精确的电磁场全波分析，而传统的确定性电磁场全波分析与建模方法需要基于Maxwell方程和对边界条件的准确描述。随着硅工艺特征尺寸的不断减小和频率的不断提高，硅基无源结构的电磁特性对工艺的误差越来越敏感，而且工艺误差的随机性使得边界条件不再能准确描述。因此，我们需将随机数学模型引入到电磁场全波分析方法，在结构边界存在随机性误差的条件下，探索硅基毫米波亚毫米波无源结构的电磁特性与规律及损耗机理，这是本项目的第二个关键科学问题。 围绕这一科学问题，以毫米波亚毫米波频段硅基无源结构电磁特性的随机数学模型为基础，本项目将开展毫米波亚毫米波频段硅基导波结构、无源元件、天线与阵列的电磁场全波分析方法与统计建模的研究。 关键科学问题三：硅基毫米波亚毫米波有源器件的小尺度效应与场分布效应 有源器件的模型是硅基毫米波亚毫米波集成电路设计的重要基础。有源器件的建模涉及半导体物理特性、电路理论、测量方法等基本问题。一方面，当硅基工艺发展到纳米量级时，有源晶体管的小尺寸效应显著，如介观尺度下硅基材料特性，载流子输运的非本地效应，非平衡状态下的输运特性，杂质涨落对器件特性的影响等；另一方面，有源器件周边结构的电磁场分布效应对器件的性能有着显著影响；晶体管半导体物理特性与有源器件建模的复杂度因而大大增加。当工作频率达到30GHz以上的毫米波亚毫米波频段时，传统有源器件模型的准确度大大降低。由于有源模型的复杂度以及有源模型在设计中的基础作用，在现代集成电路设计方法学中，有源电路的模型是整个设计流程中最重要的一环。硅基毫米波亚毫米波有源器件模型需要解决模型的复杂度与可实现性之间的问题，同时解决高频段模型的准确度问题。以此为基础，才能建立适合毫米波与亚毫米波频段的硅基电路设计理论。因此，探索硅基毫米波亚毫米波有源器件的小尺度效应与场分布效应是本项目的第三个关键科学问题。 围绕这一科学问题，本项目将开展毫米波亚毫米波