微波半導(dǎo)體功率器件及其應(yīng)用

????????： 本文介紹了微波半導(dǎo)體技術(shù)主要特點、功率器件和單片集成電路的特性及其應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：微波；高電子遷移率晶體管(HEMT)；異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)；單片集成電路 中圖分類號：NT385 文獻標識碼：A 3．3微波單片集成電路(MMIC) 微電子在提高集成度的同時，繼續(xù)提高工作頻率和功率，向微波、毫米波進軍，出現(xiàn)微波、毫米波單片集成電路(MIMIC)，從而推動了在傳統(tǒng)無線電高頻領(lǐng)域工作的通信、雷達、導(dǎo)航、測控等的全部微電子化，表示通信技術(shù)進步與微電子的發(fā)展。 近年來，在微波、毫米波單片集成電路領(lǐng)域內(nèi)，最引人注目的是美國國防部發(fā)展軍事微電子電路總計劃之一的MIMIC計劃，此計劃總的目標是開發(fā)1-100GHz頻率范圍內(nèi)的各種單片電路，且要求其成本低、性能好、體積小、可靠性高，能批量生產(chǎn)。 3．3．1 功率MMIC 隨著衛(wèi)星通信、相控陣雷達和電子戰(zhàn)系統(tǒng)的發(fā)展，對功率MMIC放大器的需求日益增長，使其已成為研究的重要領(lǐng)域。在18GHz以下主要是GaAsMESFET和HBT器件功率MMIC放大器。在18GHz以上，則是PM-HEMT的功率MMIC放大器。NECCorp研制成全增強型VQ為+0．25VHJFET，PAE在31．5dBm輸出功率下為79．6％，輸出增益G，在836MHz為11．5dB，采用E-HJFET研制成二級功率放大器，在3．5V單一電源下工作，MMIC的PAE為71．9％，輸出功率為31．5dBm，在836MHz下，功率增益為24．5dB，在零偏置電壓下，MMIC總的漏電流為5μA。Mitsubishi ElectronicCorp研制成用于Ka波段通信系統(tǒng)的MMIC--級功率放大器，在30GHz下，輸出功率為1．44W，芯片尺寸為 1．94mm×2．0mm。TRW公司采用0．0508mm厚PHEMTMMIC和氧化鋁微帶組合器研制成3WQ波段PHEMTMMIC功率放大器模塊，在45GHz下，峰值效率為25％。ITr8404FN／FP是GaAsTEK公司推出的單片微波集成電路功率放大器，在5．5-7GHz范圍內(nèi)，其飽和狀態(tài)下的額定輸出功率為6W，且具有高達16dB的線性增益，在IdB壓縮點上的輸出功率為4W，IP3為43dBm。在6．25GHz時的諧振響應(yīng)為-35dBc，輸入功率為21dBm。寄生響應(yīng)小于-45 dBc。該放大器的輸入輸出阻抗均為50n，避免了對匹配器件的需求，并可節(jié)省電路板的尺寸，其存貯溫度為-40t～+100℃。非常適合于大功率應(yīng)用的場合。法國AlcatelSpacelndustries采用PHEMT的線性和非線性模型制作的二級MMIC放大器，在2dB增益壓縮下輸出功率為39dBm，在3．5-4．5GHz下，線性增益為27dB，PAE為42％，圖4示出8WMMIC的照片。MartinCom研制成高放倍頻PHEMT功率放大器，在3-6GHz下，平均功率11W，功率增益17dB，PAE為42％，峰值性能在PAE為54．5％下，達到17W。圖5示出了高效MMIC功放的照片。DefenceResearchAgency研制成三級6-18GHz雙溝道MMIC功率放大器，可應(yīng)用于電子戰(zhàn)。該放大器采用0．25 μmT柵，MBE生產(chǎn)GaAs-InGaAs-A1GaAs，n功率PHEMT工藝制作，溝道小信號增益在6-18GHz，輸入失配損失>12dB，為24．1土3．4dB。在2dB增益壓縮時單溝道輸出功率在6-18GHz下為3．4土1．1W(脈沖)和2．4土1．1W(連續(xù))，采用非芯片健合器，雙溝道放大器輸出5．1土1．3W(脈沖)，4．3±1．3W(連續(xù))，小信號增益為24dB土3．5dB，6-18GHz。MMIC采用GaAsPHEMTFoundry工藝制作。Sanders公司研制成型號為SGPA-07006-CC~級單片微波集成電路功率放大器，頻率為37-40GHz，工藝采用本公司的0．151AmGaAsPHEMT工藝。TriquintSemiconductor公司采用0．25pmPHEMT技術(shù)研制成3．48mm2，0．5W，40GHz功率放大器MMIC在6V漏偏置條件下，二級功率放大器獲得小信號增益15．6dB，在ldB增益壓縮下，輸出功率為26．5dBm，飽和輸出功率為27．9dBm，功率附加效率為26．6％。圖6示出功放照片。TRW公司采用0．11xm AlGaAs／InGaAs／GaAsT柵功率PHEMT研制成二級單片W波段功率放大器。這種MMIC功率放大器在94GHz下線性增益為8dB，最大輸出功率300mW，峰值功率附加效率為10．5％，襯底厚度為0．0508mm。圖7示出W波段單片功率放大器的照片。日本FujitsuQuantumLtd．研制成低成本金屬陶瓷封裝的K波段大功率MMIC放大器模塊，并可應(yīng)用于K波段高速無線系統(tǒng)。這種PA模塊由于一個激勵放大器MMIC和一個功率放大器MMIC組成。在23GHz和26GHz下總的增益為30dB，Pm為33dB。這種模塊總的性能G(dB)×△f/fo為以前的二倍。TRWRFProductCenter報道了相關(guān)功率增益21．5dB的6W，24％PAEKa波段功率模塊。功率模塊由激勵放大器、二級功率放大器芯片組成。這種MMIC放大器采用0．151xmlnGaAs／A1GaAs／GaAslmMT~術(shù)制作在0．0508mm厚的襯底上激勵放大器的輸出功率為27．5dBm，功率增益10．7dB，PAE為27％。輸出功率放大器采用混合的方法，由二片局部匹配MMIC芯片和8路Wikinson組合器(制作在氧化鋁襯底上)組成。這種MMIC功率放大器輸出功率為35．4dBm(3．5W)，PAE為28％，相關(guān)增益為11．5dB。8路組合器的插入損耗為0．6dB。圖8示出了激勵放大器MMIC芯片。 MitsubishiElectricCorp．研制成用于GSM900／1800應(yīng)用的3．2VT作芯片HBTMMIC功率放大器。這種IC的輸出功率用于GSM900，Pou，為34．5dBm，PAE為5％，用于GSMl800(DCSl800)Pou：為32dBm，PAE為42％TRWElectronicandTechnologyDivision研制成0．5-16GHzCaAsHBT中功率放大器；MMIC，其中功率放大器示于圖9。TRWInc采用CaAs／A1GaAsHBT研制成高可靠X波段MMIC放大器。靜態(tài)收集極電流密度為20kAIcm2，芯片調(diào)節(jié)的單級平衡放大器在125T結(jié)溫下MTF(median-time-failure)為4×1017小時。59HIA MMIC單級平衡放大器工作頻率為5-9GHz，曲型增益為11dB，芯片尺寸為3．0mmX4．0mm。 Thomson-CSF已研制成0．5W，2-8GHZMMIC分配功率放大器。采用HBT功放放大器在大功率和高效率下工作，功率密度大于1W／mm，2-8GHz下的PAE為20％，在3GHz下，峰值效率為30％。圖10示出HBTMMIC放大器照片。HittiteMircrowave已研制成HBT單片微波集成電路功率放大器，工作頻率為4．4-6．0GHz。該放大器采用非全封閉基座的無引線封裝，即表面貼裝封裝技術(shù)，以便改進RF和熱特性。型號為HMC415LP3，其特性：增益為20dB，飽和輸出功率為+26dBm，PAE為34％。電源電壓為3V。TI公司研制成應(yīng)用于S波段和C波段的單片I-IBT功率放大器。該放大器在S-C波段的增益約為18dB，最大輸出功率為15W，芯片尺寸為6．6×9．1mm。圖11示出15W雙波段HBTMMIC功放照片。圖12示出功率放大器的水平。 表11和表12分別示出功率MMIC放大器特性和毫米波MMICPA性能。 3.3.2其它MMIC 除了低噪聲MMIC和功率MMIC之外，MMIC在混頻器、倍頻器、開關(guān)、衰減器、振蕩器、移相器等領(lǐng)域也取得很大成績，制出了不少高性能的單片電路，現(xiàn)敘述有關(guān)單片電路。 （1）變頻器 TriquintSemiconductorTexaslnc．研制成寬帶、小功率，+3．0VPHEMT下變頻IC，并可用于衛(wèi)星通信系統(tǒng)。下變頻器全部集成在單片上，無須外匹配元件。該MMIC有300~800MHzRF-Lo帶寬和185~2085MHz IP帶寬。UKDefenceEvaluationResearchAgency研制成用于衛(wèi)星通信接收機的多功能MMIC，工作頻率43．5~45．3GHz。該電路采用0．25μmPHEMTGaAs InGaAs-A1GaAs生產(chǎn)線工藝在GECMarconi Materials TechnologyLtd．制作。多功能MMIC在一塊芯片上集成一個低噪聲放大器、下變頻器、本機振蕩器、倍頻器和緩沖放大器，其芯片尺寸為3．0 ×3．8mm2。噪聲系數(shù)為4．3dB，本機振蕩器在0dBm時的變頻增益為8dB。 (2)倍頻器、混頻器 M／A-COMInc．采用GaAsHBTMMIC技術(shù)研制成模擬頻率倍頻器。在基頻至14GHz，平均0-3dB變頻增益和10dB衰減。圖13示出HBTMMIC倍頻器照片。表13列出混頻器的研究水平。 TheUniversityOfLeeds研制成新型77GHzMMIC自振蕩混頻器。混頻器采用單個PHEMT同時做到混頻和倍頻。這種混頻器在77GHz下測得變頻損耗為12dB，70-85GHz的平均所測變頻損耗為15dB。 (3)濾波器 France''UniversityOfLimoges采用低頻遞歸方案和全MMIC研制成新型微波濾波器。采用這種方法實現(xiàn)的濾波電路可應(yīng)用于窄帶濾波。中心頻率為7GHz。 (4)收／發(fā)MMIC 德國FraunhoferlnstituteforAppliedSolideStatePhysics(1AF)采用雙柵PHEMT研制成應(yīng)用于FMCW雷達系統(tǒng)的小型共面收／發(fā)MMIC。該芯片有二級中功率放大器，一個單端阻性混頻器，一個環(huán)行波導(dǎo)耦合器組成，依賴于0．15，lmGaAsPHEMT技術(shù)，在77GHz下，輸出功率為10dBm，變頻損耗為1．5dB，整個芯片尺寸僅為1．75× 1．75mm2。圖14示出收／發(fā)MMIC的照片。Japan Telecommunications Business Group，Oki Electriclndustry Ltd．采用GaAsMESFET技術(shù)研制成用于1．9GHz PHS無線電通信的單芯片的RF收發(fā)機MMIC。MMIC特性，RF收發(fā)機包括一個SPDT開關(guān)，一個二級LNA，一個下變頻器，一個雙平衡混頻器，一個AGC放大器和一個自偏置控制電路。芯片尺寸為9．3mm2。封裝在帶有熱沉的48pinTQFP中。圖15示出其方塊。 NEC公司已經(jīng)研制成小型高精度Ka波段4bit的單片移相器。電器結(jié)構(gòu)為轉(zhuǎn)換驅(qū)動式，可串接22．5°、45°、90°、180°各移相單元。作為線路轉(zhuǎn)換器件，采用由歐姆電極共有技術(shù)(UEST)制作的非諧振式超小型FET開關(guān)。該開關(guān)的器件為0．15μm柵的A1GaAs／InGaAsHFET，尺寸為0．17mm×0．7mm，在0～40GHz下，插入小于1．5dB，隔離度在25dB以上。整個單片移相器尺寸為2．2mm× 2．5mm。在33-36GHz較寬的頻率下，獲得了相對移相誤差低于70rms，插損偏差為1．2dBrms的移相特性。 日本三菱電機研制成工作于40GHz波段的MMICVCO。該器件為了控制諧振，采用了加載薄膜電阻的單披長微帶諧振器，形成90°，反相式調(diào)諧電路的MMICVCO。串聯(lián)諧振電路的變?nèi)莨苁褂肎aAs襯底上的肖特基結(jié)，獲得了諧振范圍493MHz，偏離1MHz相位噪聲--84dBC／Hz的良好特性。有源器件采用柵寬Wg=100pm，柵長Lg=0．15，Am的A1GaAs／In GaAsPHEMT，它不僅作為反通道漏接地使用，還作為輸出的反射短截線。因此在40GHz下獲得足夠的反射增益。 德國Siemens公司研制成用于毫米波傳感器應(yīng)用，特別是汽車雷達系統(tǒng)應(yīng)用的單片單元(set)。它由高集成收發(fā)芯片，一個壓控振蕩器，一個諧振混頻器和中功率放大器組成，這種MMIC的工作頻率范圍為76-77GHz，并用GaAsPHEMT制作。 FuiitsuQuantumDevicesLimied采用倒裝技術(shù)和0．15μmInGaAs／GaAs HEMT工藝研制用于毫米波汽車雷達的76GHzMMIC芯片單元。芯片單元由一個76GHz放大器(芯片尺寸為1．2×1．9mm2)，一個76GHz混頻器(1．9× 2．4mm2)，76GHz幾個SPDT開關(guān)(1．2×1．9mm2)，一個38GHz倍頻器(1．9 ×2．4mm2)，一個38GHz壓控振蕩器(1．2× 1．9mm2)和一個38GHz緩沖放大器組成。另外，日本也報道了38GHzHBT振蕩器，其照片示于圖16。 日本HitachiLtd．CentralResearchLab．研制成用于汽車遠程雷達的77GHz全MMIC。 為了滿足雷達系統(tǒng)的要求，需要研制w波段MMIC。為適應(yīng)頻率調(diào)制連續(xù)(FMCW)雷達系統(tǒng)設(shè)計許多MMIC。采用高可靠0．181lmHJFET制作工藝來研制毫米波MMIC。 France Uniteal Monohfic Semiconducters研制成應(yīng)用于76．5GHz適應(yīng)航行(ACC)汽車雷達的毫米波前端。這種ACC雷達基于FSK(Frequency shiftkeying)。毫米波模塊采用了3塊MMIC組成單芯片單元來制作。三塊MMIC分別為本機振蕩器芯片，功率發(fā)射芯片，下變頻接收芯片。 3．4寬帶隙半導(dǎo)體微波器件 近年來，以SiC、GaN和半導(dǎo)體金剛石為代表的寬帶隙半導(dǎo)體微波器件的研究開發(fā)引入注目。這類器件適宜在高頻、高溫(>500℃)、強輻射環(huán)境下工作，具有優(yōu)異的微波功率性能，其中以SiC的器件技術(shù)最為成熟。目前符合質(zhì)量要求的75mm的SiC單晶已研制成功。1993年Sriram．S等人報道的6H-SiCMESFET在6GHz下，輸出功率為3W，增益為6dB，功率附加效率為44．5％，Creelnc研制成型號為CRF-22010是碳化硅(SiC)功率金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)，并可用于A級和AB級放大器。這種器件在3GHz下，最小輸出功率為10W(1db壓縮)，在2GHz典型輸出功率為12W。典型漏效率為45％，典型增益為12dB。Motorolalnc已研制SiCMESFET，在58V、3．1GHz下，輸出功率為80W，PAE為38％。 SiC MESFET器件的B類功率在1.8GHz輸出功率達到28．3dBm(功率密度2W／mm)，功率附加效率為50．4％?，F(xiàn)已研制成SiCMESFET的柵寬為0．71Am，在2．1GHz下，P1dB為15W(CW)，功率附加效率為54％，SiC MESFET的fT為8．5GHz，fmax為25GHz。SiC垂直溝道場效應(yīng)管(SIT)達到了很高水平，600MHz下單管輸出功率為450W，多管模塊等1000W；S波段，放大器的P0達36W。PAE達42％，適用于雷達系統(tǒng)。圖17示出了SiC器件特性的現(xiàn)狀。表14列出目前SiC器件的性能。 由于GaN電子速度高、馳豫時間短，GaN轉(zhuǎn)移電子器件工作頻率比GaAs及InP同類器件高一倍；另一方面GaN具有較高的電強度，因而材料可以重摻雜，并可在較高偏壓下工作，器件的功率大，與GaAs相比高出數(shù)百倍，功率密度達到kW／mm2。 美國UniversityOfSouthCarolina已在周長0．15~6mm SiC襯底上研制成AIGaN/GaN MOSFET。這些多柵器件采用新的氧化--橋接方法。6mm器件的飽和電流為5.1A。柵長1.5μm時，柵漏為1μA/cm2。截止頻率為8GHz。在2GHz下測得大信號輸出RF功率高達2.88W/MM。研制成GaN HFET在52V，2GHz下，最大CW功率為108W。 美國University of Illinois在半絕緣SiC初底上研制成柵長為0.12μmA1GaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)。這種0．12μm柵長器件顯示出最大漏電流密度1．23A／mill，峰值跨導(dǎo)為314mS／innl，閾值電壓為-5．2V，截止頻率fT為121GHz，最高振蕩頻率fmc,為162GHz。這種／T和／咄的值是迄今GaN基HEMT所報道的最高值。 Nitronex Comporation在100mm硅片上已研制成A1GaN／GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)。這種GaNHEMT器件的最大漏電流為900mA／mm，峰值占，為300mS／mm，微波輸出功率密度為1．5W／nun。這是迄今為止在100mm硅片上GaNHEMT所報道的最高水平。 美國CreeLightingCompany在SiC襯底上研制成100-150μxm柵寬AIGaN／GaNHEMT，在8GHz下，可得到9．8W／mm功率密度，PAE為44％，最大電流大于1A／mm，小信號的截止頻率為60-100GHz。美國加利福尼亞大學(xué)研制成異質(zhì)mAlGaN／GaNHEMT。對于通常的HEMT在高的層電荷密度下，插入極薄的A1N界面層(-lmm)保持高遷移率，提高有效厶Zc和降低合金散射?；谶@種結(jié)構(gòu)的器件具有優(yōu)良的DC和RF性能。在Vos為2V下，高的峰值電流為1A／mm，在8GHz下，功率附加效率為28％時的輸出功率密度為8．4W／mm。 日本富士通公司在SiC上研制成30V大功率36WCW工作的A1GaN／GaNHEMT。表面電荷控制結(jié)構(gòu)可得到高的棚-漏擊穿電壓和減少電流破壞。由于這種結(jié)構(gòu)可得到最佳閾值電壓，最大漏電流1A／mm，柵-漏擊穿電壓為200V。一塊24mm寬棚芯片的輸出功率在2．2GHz下，為45．6dBm(36w)，線性增益為9．7dB。 NEC公司所開發(fā)成功的單芯片氮化物半導(dǎo)體功率晶體管試驗樣品，創(chuàng)造了新記錄，首次突破了100W的輸出功率。這項成果，是為了適應(yīng)移動通信的要求而開發(fā)的。移動通信產(chǎn)業(yè)的基站，需要更小體積、更高輸出功率的放大器。 最大輸出功率是在2GHz、占空比為10％的條件下測得的最大輸出功率達到113W。在此以前，氮化物半導(dǎo)體晶體管的最高輸出功率記錄是Crec公司創(chuàng)造的，輸出功率達到51W。將4個與此次試驗樣品相同的晶體管，按照工業(yè)界的標準方法組合起來構(gòu)成一個器件時，其輸出功率將超過450W，遠遠超過目前的最高水平。Crec公司研制成工作頻率10GHz的GaNHEMT，脈沖RF功率為40W。該器件可用于混合放大器。12mm器件的特點：PAE為20％，功率密度為3．39W／mm。Cree已報道GaNMMIC，生長在半絕緣SiC襯底上，初步結(jié)果為：9GHz，RF脈沖功率為20W，增益為14dB，PAE為20％。 Johnpalmour說，40W混合放大器大大改進在GaAs上的功率性能，可在高熱導(dǎo)率半絕緣SiC襯底上制作GaN器件。Cree公司堅信，GaNMMIC標志著高性能寬帶MMIC基放大器新時代來到，并期待功率和帶寬方間更好地其他半導(dǎo)體技術(shù)。 Cree公司研制的GaN分立器件和MMIC的目標是高頻(5-35GHz)商業(yè)寬帶通信應(yīng)用以及軍用雷達和通信應(yīng)用。該公司的GaN混合和MMIC放大器分別受到美國空軍研究實驗室和海軍研究實驗室特別關(guān)注。 RF Nitro Communication lnc首次報道了大功率A1GaN／GaNFET基高效VCO，其特性為，大功率2．7W，高效率為27％，高的電源電壓為3．5-30V，大的調(diào)諧帶寬為13％，可控電壓為1~9V。