中国科学院微电子研究所项目成果一

中国科学院微电子研究所

情况介绍中国科学院微电子研究所的前身原中国科学院109厂成立于1958年，1986年中国科学院半导体研究所微电子学部加入，合并为中国科学院微电子中心，2003年9月正式更名为中国科学院微电子研究所。微电子研究所是一所专门从事微电子领域研究与开发的国立研究机构，是中国科学院微电子技术总体和中国科学院EDA中心的依托单位。微电子研究所现有11个研究室，在职员工750人，科研与专业技术人员628人（其中科学院院士2名，高级研究人员179名）。设有博士和硕士学位授予点和博士后流动站，在读研究生400人。中国科学院微电子研究所历史辉煌，1958年，因研制“两弹一星”和高频晶体管计算机，微电子研究所的前身中国科学院109厂应运而生，并先后为我国第一台锗晶体管计算机——“109乙机”研制出合格的半导体晶体管；为我国第一台硅晶体管计算机——“109丙机”研究生产硅平面晶体管，提供了半导体器件；为我国第一颗人造卫星“东方红”一号提供了半导体晶体管；为我国首台1000万次/秒的晶体管计算机757机承担全部集成电路的研制生产任务。在几十年的变革与发展历史中，微电子研究所几代科技工作者为中国微电子技术与产业的发展付出了持续不懈的艰苦努力。承担并完成了上百项国家科研任务，取得了丰硕的成果，为中国微电子技术的进步作出了重要贡献。在新的历史时期，中国科学院微电子研究所作为中国科学院“知识创新工程”试点单位，秉承“惟精惟一、求是求新”的办所精神，确立了当前的办所方针和发展目标；打造现代化的高技术研究机构。面向国家在微电子领域的战略需求，加强关键技术创新与集成，承担重点科技攻关与产品开发；面向产业发展需求，建设开放平台，通过全方位合作积极推进成果的应用开发和产业化；拓展前沿技术与基础研究领域，发展交叉学科方向，成为我国IC技术和产业领域一个技术创新基地和高素质高层次人才培养基地，为促进国家微电子技术进步和自主创新，实现产业的可持续发展作出贡献。项目成果基于硅液晶微显示芯片硅器件与集成技术研究室微显示驱动课题组成功研制出基于硅基液晶（LiquidCrystalonSilicon，LCoS）微显示芯片，分辨率为SVGA（800×600）彩色微型投影显示器。微型投影显示器的关键部件是LCoS芯片，它除了应用于微型投影显示外，还可以应用于大屏幕高分辨率投影显示、3D显示、军用头盔显示器等领域，是目前公认的最有市场潜力、可便携的小尺寸，获得大屏幕显示的器件之一。该LCoS芯片的设计采用自主知识产权的场缓存像素电路，基于中芯国际0.35μmmix-signalCMOS工艺，应用浙江大学研制的微型投影机LED三色光源，采用时序彩色的方式，实现8bit256级灰度彩色显示。除此以外，课题组还对LCoS液晶盒的制备与液晶灌装的关键技术进行研究和开发，并基于FPGA芯片成功开发了LCoS芯片视频驱动系统，实现整机的完全国产化，为LCoS微显示技术的产业化打下很好的基础。基于硅液晶微显示芯片IGBT系列产品中国科学院微电子研究所是国内最早从事IGBT、VDMOS等功率器件开发的单位之一，技术领先实力雄厚。目前硅器件与集成技术研究室已开发完成15-100A/1200V、20-100A/1700V非穿通型平面栅和沟槽栅IGBT系列产品以及配套FRD产品，已完成6500V系列IGBT芯片样品的开发，正在开发2500V，3300V和4500V系列产品。IGBT广泛应用于智能电网、高速列车、新能源发电、新能源汽车、工业变频、家用电器等诸多领域，是关系国家能源、交通、工业、家电等国计民生的核心电子元器件，具有重要的战略意义。目前我国IGBT与FRD产品的技术和市场完全被少数国外企业垄断，尤其在高端应用领域。目前1200V、1700V的IGBT已经面向产业化，后续的3300V、6500V。产品也已投入研发，保持了较好的研发层次性。自主研发的1200V、1700V的IGBT产品与国外同类产品的技术指标对比如下表所示：击穿电导通压开关损产品名产品规格制造商压降耗KWBW25N120S微电子>1200V1.9V6.0mJ所KWBW25N120F1200V/25A>1200V2.2V5.5mJSKW25N120英飞凌>1200V3.1V3.7mJ微电子KWMFZ800N170F>1700V2.8V310mJ1700V/800A所FZ800R17KF6C_B2英飞凌>1700V2.6V625mJ从表中可以看出，自主研发的产品达到和国外产品同类水平，部分技术指标优于国外同类产品。已开发出的1200V/1700VIGBT芯片/器件/模块产品IGBT器件结构：（a）平面栅非穿通型（b）沟道栅非穿通型（c）平面栅场截止型和（d）沟道栅场截止型IGBT广泛应用于智能电网、高铁、新能源、新能源汽车、家用电器等领域高可靠功率VDMOS晶体管系列产品硅器件与集成技术研究室研发成功国内首款高可靠功率VDMOS晶体管系列产品，该系列产品已经顺利通过设计定型，并已经开始批量供货（已供货4000多只）。所研制产品采用具有完全自主知识产权的高可靠VDMOS晶体管工艺和设计等方面的加固技术，该系列产品的质量等级已达到JCT级，产品抗总剂量（大于300krad（Si））和抗中子注量（大于5E13n/cm2）等主要技术指标均处于国内领先水平，多项关键技术填补了国内在该领域的空白，达到世界先进水平，并得到行业专家与用户专家的高度肯定，作为重点行业领域“十一五”成果展的重要亮点，是我国正在实施的多项重大工程急需产品，具有重要的战略价值和社会效益。高可靠功率VDMOS晶体管系列产品极低功耗语音信号处理器FlexEngine智能数字助听器系统由麦克风、扬声器、锌空气电池、开关/音量旋钮和助听器SOC核心芯片组成。其中SoC芯片是核心，它通过ADC将模拟信号转换成数字信号，然后在数字域对声音处理，最后利用DAC将结果转换成模拟信号，输出至扬声器。专用集成电路与系统研究室相关团队突破SOC芯片极低功耗的关键技术，研发出面向数字助听器应用的极低功耗语音信号处理器平lexEngine，可以根据不同听障患者的听力损失情况，定制个性化的多通道听力补偿，同时具有自动背景噪声消除、自动反馈声抑制等核心功能，能有效提高患者的聆听舒适度。该平台在5MHz频率下工作，功耗仅为600µW。性能和功耗指标均达到国内知名助听器厂商的中、高端产品要求。智能数字助听器结构演示图助听器SOC芯片版图FlexEngine测试系统以及技术发展历程动力电池组监控与管理模拟前端芯片与系统动力电池管理系统（BMS）的核心之一是电池组监视模拟前端关键芯片技术。电池组管理系统模拟前端芯片作为电动汽车技术研究当中的一个重要组成部分，在电动汽车的产业化、市场化发展中起到重要的作用。电池组管理芯片不仅可以为电动汽车的动力电池组提供安全良好的运行保证，还可以降低电动汽车的整车成本以普及电动汽车的大众化要求。总之，电池管理系统前端芯片技术，对于电动汽车发展起着重要作用，扮演着重要角色。它对电池及能量的每一分监测与优化，都是电动汽车技术发展的每一步前进。动力电池组的应用领域动力电池组管理系统监控软件界面动力电池组管理系统与实物超大规模高可靠SOI专用集成电路2011年，微电子所专用集成电路与系统研究室在推进超大规模高可靠SOI工艺专用集成电路（ASIC）设计和开发方面取得了突出的成绩：1、全定制自主设计单元库（0.35um）完整版release；2、基于单元库成功实现100万门级专用集成电路。该芯片基于0.35um高可靠SOI工艺，电路规模、工作频率、抗总剂量等关键技术指标，在国内SOI高可靠ASIC领域居于领先地位，这标志着我所的高可靠产品布局得到进一步完善。高可靠性专用集成电路设计组，得到了一室加固工艺支撑和实验团队的大力支持，在SOI工艺研发与优化的同时，掌握自主建立高可靠标准单元库的流程和方法，完成基于自主研发单元库的超大规模高可靠SOI工艺ASIC设计、加工和试验。高可靠性专用集成电路设计组积极打造“一站式”高可靠ASIC服务平台，在集成电路设计过程的各个层面和阶段进行加固设计手段的介入，高效、快速满足复杂、高性能、高可靠电子器件的设计需求。对促进我国重点工程领域电子器件国产化，突破国外技术壁垒封锁具有重要作用。超大规模高可靠SOI专用集成电路基于原位显微探测技术的阻变存储器阻变存储器(RRAM)是下一代高密度非易失存储器的有力竞争者之一。然而，阻变机理的不清晰阻碍了其快速发展。从微观层面探讨RRAM阻变机制，对于控制和提高器件存储特性、建立和分析器件失效模型具有非常重要作用。阻变存储器是32nm节点以下的非挥发性存储器的一种重要的替代方案，具有存储单元尺寸小、高速度、非挥发性、高耐受性、稳定性好、功耗低、工艺及器件结构简单和可嵌入功能强等优点，综合性能优于现有主流存储器，在新型存储技术中居于前列，其中过渡金属氧化物RRAM在近两年内得到国际重要大公司的同时力推，包括三星、SHARP、IBM、NEC等。目前研究成果均为试验芯片，研究进展也主要集中在材料、单元和关键工艺的研究和小规模演示电路的水平。RRAM目前存在的主要问题是电阻转变机理不明确，限制了RRAM性能尤其是稳定性的提高。纳米加工与新器件集成技术研究室相关课题组针对阻变机制开展了深入系统的研究，从电学上间接证明了多根金属性导电细丝形成和破灭主导的阻变机制(APL,223506,2008；APL,023501,2009)；随后通过TEM证实了导电细丝的存在，并实现了细丝生长的可控性(ACSNano,6162,2010)。与东南大学合作，基于原位显微探测技术，成功获得导电细丝生长和破灭的动态过程，建立了细丝生长/破灭的动力学模型，获得了AdvancedMaterials审稿人高度评价，被认为是“本领域的重要发现”。基于原位显微探测技术获取的RRAM导电细丝生长和破灭动态过程石墨烯电子器件作为国家集成电路重大专项计划，本课题涉及的前瞻性研究的目的是探索研究新材料石墨烯在大规模集成电路应用方面的可行性和潜力。充分发挥石墨烯优良的材料特性与硅集成电路技术相融合的特点，以生产应用为目标，形成新器件与电路设计、制造所需的设备、工艺、材料综合解决方案。本课题采用微机械剥离方法、SiC外延生长法和化学气相淀积(CVD)法生长出新型石墨烯材料上，成功研制出高性能石墨烯电子器件。石墨烯电子器件SEM照片(b)石墨烯器件测试结果微机械剥离法得到大面积石墨烯材料，创新的采用了具有自主知识产权的复合栅介质结构，器件最高截止频率达到18GHz(图(b)所示)，达到国内石墨烯电子器件的最高水平。采用SiC外延生长法制备晶圆级石墨烯电子器件照片(b)石墨烯器件测试结果SiC外延生长石墨烯上器件最高截止频率ft达到4.6GHz(图(b)所示)，器件成品率达到90%以上；在CVD方法生长石墨烯上器件最高截止频率ft达到6GHz，fmax达到7GHz(图3所示)，器件成品率达到80%以上，成为国内首家公开报道在SiC外延方法生长石墨烯和在CVD方法生长石墨烯上制备出截止频率达GHz以上的团队。采用CVD方法生长石墨烯制备晶圆级器件测试结果以上研究成果利用石墨烯优良的材料特性，实现了石墨烯从机理和材料到器件研究的突破，开拓出一条延续摩尔定律和超越硅CMOS技术的新途径，打造石墨烯从材料到器件的完整科研链条，为推进微电子器件和集成电路的可持续发展和创新跨越奠定基础。“航芯5号”商用型高性能卫星导航基带芯片通信与多媒体SOC研究室在导航方面有深厚积累，研发的“航芯3号”GPS基带芯片和“航芯4号”GPS/Galileo双模基带芯片采用主从式结构，有效降低了系统成本和功耗，捕获灵敏度到-147dbm，跟踪灵敏度达到-162dbm，定位精度达到2.5米，首次定位时间小于40秒，以上核心指标均达到或接近国际一流芯片水平。在上述“航芯3号”和“航芯4号”的基础上，通过与合作伙伴德赛集团车载GPS导航部门充分沟通，采用多项创新性算法完成了“航芯5号”的原型机开发。“航芯5号”芯片作为微电子所和德赛集团合资创办的高技术公司的首款核心芯片产品，瞄准业界最好的SiRF-4芯片进行开发，努力改善用户体验和极端情况下的接收机性能，并保持良好的性价比优势。“航芯5号”芯片的主要创新性技术如下：（1）研制了一款高速GPS卫星信号捕获引擎，可以在0.5秒内完成所有32颗GPS卫星的搜索，冷启动首次定位时间（TTFF）为30秒，冷启捕获灵敏度可达-147dBm；（2）针对卫星导航定位应用，专门研制了一款电路规模小、灵活性高的导航专用处理器“SmartDSP”及导航专用加速协处理器。该架构与ASIC导航基带芯片相比，大幅度提高了灵活性、减小了电路规模；（3）研制了一款新型自适应跟踪引擎，该跟踪引擎综合了多种跟踪模式，能在各种模式下自适应工作，大幅度提高了弱信号跟踪灵敏度；（4）提出了新型“多径和互相关消除算法”，使芯片在恶劣环境下的定位能力大幅度提高。目前该原型机的TTFF、捕获灵敏度、跟踪灵敏度等多项核心指标接近了市场主流芯片SiRF-4指标，在车载GPS导航仪和智能手机GPS等领域拥有广阔的市场前景。中国科学院微电子研究所研制的卫星导航芯片是一种支持GPS定位系统的基带芯片，主要针对车载和智能移动终端市场，并可扩展至授时、交通运输、物流等行业应用。目前，我国的卫星导航定位市场以车载和个人娱乐等消费类应用为主，已经成为世界上最主要的卫星导航产业新兴市场。未来随着我国北斗二代系统的建设，我国卫星导航市场将迎来爆发式的增长。“航芯5号”原型机的复杂测试场景所示测试场景的跟踪结果（左图为频率跟踪、右图为载噪比计算）低功耗无线传感器网络核心芯片及片上系统由微电子所电子系统总体研究室牵头6家单位组成的联合课题组在低功耗无线传感器网络核心芯片及片上系统的关键技术研究上取得突破，由联合课题组自主研制的低功耗和高性能两款SiP芯片组成的无线传感网于2011年11月通过了相关标准测试，作为物联网的一个重要支撑，这些即将量产的芯片将推动中国物联网产业的发展。每款芯片由一个通信芯片和一个MCUSoC芯片组成，通信芯片集成了780MHzRF电路、基带电路、ADC和DAC，MCUSoC芯片集成了32位RISCCPU、SRAM、FlashMemory和低功耗高精度传感器接口等电路，芯片在同等功耗下与国外先进产品性能相当。低功耗无线传感器网络核心芯片及片上系统无线传感网络芯片无线传感网节点芯片作为无线传感器网络主要组成部件，实现了节点传感器信号采集、处理和无线传输。通过系统封装技术将数字基带芯片和射频收发芯片封装在单芯片中，极大地减少了系统面积，且功耗低、效能高、配置灵活，支持大规模组网应用。该芯片接收最大电流6mA，发射功率0dBm时，电流小于7mA；FSK最大通信速率达到100Kbps，整机灵敏度小于-100dBm，通讯距离大于50m。无线传感网节点芯片能够广泛应用于环境监测系统、远程医疗系统、煤矿生产安全系统、智能交通系统等领域，具有很强的创新性和实用价值，且产业化前景广阔，为物联网技术的研究和应用发展打下良好的基础。（a）500MHz~950MHz无线传感网节点芯片（b）超低功耗100MHz-500MHzFSK/OOK射频收发前端芯片（c）低功耗10BitDAC（d）数字校正CMOS体温传感器芯片（e）Pipeline双通道ADC（f）780MHz无线健康监护网络传输芯片高端卫星导航定位与通信系统电子系统总体技术研究室主要从事系统开发、产品整合与核心技术研发工作，在高端卫星导航定位与通信系统、射频与微波系统、物联网应用系统、下一代通信核心技术、高密度系统模块、芯片与模块自动测试等方面拥有雄厚实力，取得了一系列创新成果。研究室拥有完备的芯片、模块及微系统方面的设计和测试平台，已成功研制了高端卫星导航接收机系统和系列高密度微波模块、无线健康监护系统、物联网无线应用系统及节点终端、通信导航一体化收发系统、功率放大器数字预失真系统，芯片开发方面的成果主要包括WCDMA手机功放芯片、物联网与无线传感网芯片、CMMB射频芯片等系列产品，取得了引人瞩目的成绩。研究室作为所内卫星导航的总体室和核心研究部门，近几年在卫星导航方面承担了大量的国家级科研项目，涵盖了高动态、高灵敏度、高精度的三大热点方向，涉及接收机的信号处理、后端数据处理及核心芯片设计等核心技术。另外，研究室还在GNSS/INS组合导航系统及航资测量系统方面取得了显著成果。基于近几年在卫星导航领域的技术积累，研究室先后研制成功了GPS单模高动态卫星导航接收机、GG（GPS/GLONASS）双模高动态卫星导航接收机、GGB（GPS/GLONASS/BD2）三模卫星导航接收机和AHRS航姿参考系统，并已交相关用户使用。GNSS高动态卫星导航接收机（GPS单模、GG双模），能实时接收GNSS卫星导航信号，实现高动态载体的实时高精度三位定位、三位测速、精确定时。系统定位精度高、启动时间短、体积小、功耗低、性能可靠、具有很好的抗冲击、抗干扰能力，适应各类载体。系统主要功能：支持GPSL1、GLONASSL1多频点，具有高动态条件下的单系统单独定位和多系统联合定位功能；实时输出载体的位置信息(经度、纬度、高度)；实时输出载体的速度信息(水平方向、垂直方向)；支持卫星星历和历书的存储、输入；支持GNSS的原始数据输出。主要性能指标：（1）接收信号：GPS/GLONASS；（2）通道数：并行48通道；（3）定位精度：≤5m；（4）测速精度：≤0.1m/s；（5）1PPS：50ns；（6）平均冷启动时间：≤35s;（7）平均温启动时间：≤30s；（8）平均热启动时间：≤1s；（9）失锁重捕时间：＜1s；（10）捕获灵敏度：-142dBm（天线口功率）；（11）跟踪灵敏度：-148dBm（天线口功率）；（12）测速范围：≤4000m/s（可无限制）；（13）加速度：≤80g；（14）使用高度：无限制；（15）定位更新率：1～50Hz;（16）供电电压：5VDC±10%（17）功耗：≤2.0W。航姿参考系统：该系统为捷联式航姿参考系统，系统采用基于MEMS技术的陀螺仪、加速度计和磁传感器，集成度高、体积小、重量轻、成本低，可以对运动载体进行全姿态测量，实时输出载体的姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)信息。同时，系统具有很好的抗干扰能力。系统主要功能包括：实时输出载体的姿态角(俯仰角、横滚角、航向角)信息；支持欧拉角输出；支持四元数输出；支持传感器(陀螺仪、加速度计、磁传感器)原始数据的输出。系统主要应用于车辆的导航与控制、船舶姿态的动态测量、平台稳定、机器人和集装箱跟踪。AHRS航姿参考系统主要技术指标：（1）更新频率：１～10０Ｈｚ；（2）启动时间：<1s；（3）初始化时间：60s航向角：（1）范围：±１８０°；（2）正常条件下静态精度：＜0.5°；（3）全温度的静态精度：<1°；（4）动态精度：1.5°(RMS)；（5）噪声：0.01°(RMS)；（6）分辨率：0.1°。姿态角(俯仰角、横滚角)：（1）范围：±90°，±180°；（2）在正常条件下静态精度：<0.2°；（3）全温度的静态精度：0.3°；（4）动态精度：0.5°(RMS)；（5）噪声：0.01°(RMS)；（6）分辨率：0.1°。宽带无线接入基带芯片电子设计平台与共性技术研究室研发的宽带无线接入基带芯片，作为宽带无线接入系统的重要组成部分，不仅解决了国内相关核心芯片缺失的问题，同时实现了低功耗分析技术，具有高带宽、高利用率和切换灵活等优点，能够实现宽带无线通信由点到面的覆盖。该芯片采用ARM926+ZSP500架构设计，实现终端物理层、媒体访问层和应用层，具有先进的处理能力。工作频段为300MHz-4GHz；调制方式为QPSK，16QAM，64QAM可选；支持长度为2048、1024、512和128的FFT点数；可在时分双工模式(TDD)下工作；带宽为10MHz；支持120km/h移动接入；数据吞吐量为3Mbps。该芯片采用AMBA2.0总线架构，搭建基于ARM+DSP+FPGA的功耗硬件分析平台，通过实时监控系统的时钟频率、逻辑资源利用量、端口电压、节点的反转率等参数，对系统的功耗进行实时统计。该芯片中的电源模块应用于无线宽带接入系统芯片中的各功能单元，主要有：主CPUARM处理器内核，用于协调各外设之间的工作；信息处理单元ZSP500内核，用于信息处理及数学运算；还有其他控制及通信模块等。通过动态切换处理工作模式，使无线宽带接入系统芯片在不工作时采用待机运行模式，使外围器