淺談微波單片集成電路（MMIC）

微波單片集成電路（MMIC）基于半導體制造工藝，將晶體管、二極管、無源元件（電阻器、電容器、電感器、傳輸線、功率分配器/功率合成器等）、互連金屬集成在同一個半導體芯片上，以實現微波功率放大器、微波低噪聲放大器、混頻器、多路功率合成，以及微波信號的發(fā)射/接收、多功能電路等。

目前，MMIC 中常用的有源晶體管按制作材料可分為硅基晶體管和化合物異質結晶體管。其中，硅基晶體管主要是指硅雙極晶體管（BJT）、硅互補金屬-氧化物-半導體（CMOS）場效應晶體管、硅橫向雙擴散金屬-氧化物-半導體場效應晶體管（LDMOS）?；衔锂愘|結晶體管主要包括鍺硅（SiGe） 異質結雙極晶體管（HBT）、InP 異質結雙極晶體管 （HBT）、GaAs 金屬半導體場效應晶體管（GaAs MESFET）、異質結場效應晶體管（HFET）、高電子遷移率場效應晶體管（HEMT）、贗配高電子遷移率場效應晶體管（PHEMT），以及近些年發(fā)展起來的GaN 高電子遷移率場效應晶體管（HEMT 和 PHEMT）。另外，正處于研發(fā)初期的石墨烯 MOSFET 等器件也己開始探索用于研制 MMIC。

（1） Si-MMIC：始于20世紀80年代初，至20世紀80年代中期 Avantek 公司憑借等平面自對準亞微米線條和深槽隔離等技術，使 Si-BJT 的截止頻率Ft高達 10GHz。 Avantek 將兩個 BJT 直接級聯放大，并將反饋電阻和偏置電阻等集成在同一芯片上，率先開發(fā)出微波寬帶、系列化、高性能的 Si-MMIC，其I/O端口阻抗均為 50歐，無須再增加匹配電路，采用單電源供電，操作方便。20世紀90年代，si-MMIC被大量應用于 4GHz 以下頻段的微波小功率（Po《1W@1GHE）和低噪聲領域。

（2）GaAs-MMIC：由于 GaAs 材料的電子遷移率比硅高7倍，其漂移速度比 硅材料的高得多，因此在微波和毫米波頻段內，GaAs 器件的性能遠優(yōu)于硅器件的性能。GaAs 材料對微波半導體技術的發(fā)展具有重要的影響。GaAs MESFET 在微波頻段內的低噪聲、大功率和寬頻帶特性，使它成為微波領域內最重要的半導體器件之一。1974 年，美國的 Plessey 公司研制出 GaAs-MMIC 放大器；1986年，口公司發(fā)布了實用的 GaAs 商品功率放大器（ MESET MMIC-TGA8014）。它采用兩級 MESFET 級聯放大，主要用于相控陣雷達等系統(tǒng)中。

20 世紀90 年代至今，隨著 GaAs 材料和器件加工工藝技術的成熟，采用多級級聯放大的 GaAs MMIC 得到了長足的發(fā)展，其工作頻率可達到 3mm 波段，產品成熟、可靠，種類涉及功率放大器、低噪聲放大器、混頻器、發(fā)射/接收（T/R）電路、多功能芯片電路等，其中X波段（9~10GHz） GaAs 功率放大器 MMIC 的輸出功率已達 12W，增益達到 25.5dB 以上，功率附加效率大于 45%。

GaAs-MMIC 制造技術包括用分子束外延（MBE）或金屬有機氣相沉積 （MOCVD）技術生長多層GaAs 外延層、隔離工藝、深亞微米“T”型柵電極制 造技術、源漏歐姆接觸技術、Au 金屬化電極和金屬互連工藝、背面通孔接地技術、空氣橋技術等，并將電阻器、電容器、電感器、互連線、功率分配器/功率合成器等集成在同一芯片上，將 MIMIC 放大器I/O阻抗匹配到 50歐。

為了實現更高的工作頻率和更低的功耗，硅基 SiGe 射頻 CMOS 和 BiCMOS 工藝技術在21 世紀初得到較為廣泛的研究。目前，此類器件的工作頻率可達到60GHz 以上，但其輸出功率很小，僅在 100mW以內，這限制了其應用。 GaN 材料具有較高的臨界擊穿電場和較高的載流子飽和漂移速度。

2015 年 由 GaN-MMIC 技術和電路拓撲技術相結合，制造出 C波段至 W波段的高效率、高功率和寬帶功放系列產品，同時研制出了寬帶魯棒的低噪聲放大器、Ka波段高功率 GaN SPDT 開關、X波段高功率 GaN 高通/低通移相器、W波段 GaN 壓控振蕩器、X波段收發(fā)機前端、X波段 GaN 多芯片組件等多功能 MMIC，以及Si襯底上的 CMOS 柵偏壓控制電路和 GaN 放大器的直接單片異質集成產品。GaN-MMIC 的制造工藝與 GaAS-MMIC 的制造工藝類似。

InP 具有極高的電子遷移率和載流子飽和速度，可以將 MMIC 的工作頻率提 高至太赫茲（THz）頻段。由于 InP材料技術、器件工藝技術和電路拓撲技術已日趨成熟，2015 年4月美國 DARPA 公司采用 25nm 柵長InP HEMT 技術和 10級HEMT （2柵指總柵統(tǒng)寬8um）級聯放大的設計，首次實現了具有里程碑意義的太赫茲單片電路 （TMIC） ，在1THz頻率處獲得9dB的增益。

2013 年，美國H. Madan 等人利用石墨烯的高遷移率和高速率特性，在半絕 緣SiC耐底上制作了石墨烯 RF 低噪聲放大器，其最小的本征噪聲系數為 0.26dB@1GHz；同年，意大利的 E. Guerriero 也制作出最高振蕩頻率為 1.28GHz 的石墨烯環(huán)形振蕩器（RO），該石墨烯振蕩器的制作有助于石墨烯集成電路的發(fā)展。2014 年，IBM 的S.J. Han 等人采用石墨烯制作了接收機集成電路，可實現信號放大、濾波和下變頻等功能，其工藝與硅基 CMOS 工藝兼容，可用于無線通信中的接收端且保持 4.3GHz 的載波信號。

編輯：黃飛