????????： 本文介紹了微波半導體技術主要特點、功率器件和單片集成電路的特性及其應用。 關鍵詞：微波；高電子遷移率晶體管(HEMT)；異質結雙極晶體管(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，繼續提高工作頻率和功率，向微波、毫米波進軍，出現微波、毫米波單片集成電路(MIMIC)，從而推動了在傳統無線電高頻領域工作的通信、雷達、導航、測控等的全部微電子化，表示通信技術進步與微電子的發展。 近年來，在微波、毫米波單片集成電路領域內，最引人注目的是美國國防部發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1-100GHz頻率范圍內的各種單片電路，且要求其成本低、性能好、體積小、可靠性高，能批量生產。 3．3．1 功率MMIC 隨著衛星通信、相控陣雷達和電子戰系統的發展，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，其飽和狀態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時的諧振響應為-35dBc，輸入功率為21dBm。寄生響應小于-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，并可節省電路板的尺寸，其存貯溫度為-40t～+100℃。非常適合于大功率應用的場合。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，可應用于電子戰。該放大器采用0．25 μmT柵，MBE生產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)，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)，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，并可應用于K波段高速無線系統。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。靜態收集極電流密度為20kAIcm2，芯片調節的單級平衡放大器在125T結溫下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，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、衰減器、振蕩器、移相器等領域也取得很大成績，制出了不少高性能的單片電路，現敘述有關單片電路。 （1）變頻器 TriquintSemiconductorTexaslnc．研制成寬帶、小功率，+3．0VPHEMT下變頻IC，并可用于衛星通信系統。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。采用這種方法實現的濾波電路可應用于窄帶濾波。中心頻率為7GHz。 (4)收／發MMIC 德國FraunhoferlnstituteforAppliedSolideStatePhysics(1AF)采用雙柵PHEMT研制成應用于FMCW雷達系統的小型共面收／發MMIC。該芯片有二級中功率放大器，一個單端阻性混頻器，一個環行波導耦合器組成，依賴于0．15，lmGaAsPHEMT技術，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MMIC的照片。Japan Telecommunications Business Group，Oki Electriclndustry Ltd．采用GaAsMESFET技術研制成用于1．9GHz PHS無線電通信的單芯片的RF收發機MMIC。MMIC特性，RF收發機包括一個SPDT開關，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公司已經研制成小型高精度Ka波段4bit的單片移相器。電器結構為轉換驅動式，可串接22．5°、45°、90°、180°各移相單元。作為線路轉換器件，采用由歐姆電極共有技術(UEST)制作的非諧振式超小型FET開關。該開關的器件為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°，反相式調諧電路的MMICVCO。串聯諧振電路的變容管使用GaAs襯底上的肖特基結，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用，特別是汽車雷達系統應用的單片單元(set)。它由高集成收發芯片，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(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。 為了滿足雷達系統的要求，需要研制w波段MMIC。為適應頻率調制連續(FMCW)雷達系統設計許多MMIC。采用高可靠0．181lmHJFET制作工藝來研制毫米波MMIC。 France Uniteal Monohfic Semiconducters研制成應用于76．5GHz適應航行(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，功率發射芯片，下變頻接收芯片。 3．4寬帶隙半導體微波器件 近年來，以SiC、GaN和半導體金剛石為代表的寬帶隙半導體微波器件的研究開發引入注目。這類器件適宜在高頻、高溫(>500℃)、強輻射環境下工作，具有優異的微波功率性能，其中以SiC的器件技術最為成熟。目前符合質量要求的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)功率金屬半導體場效應晶體管(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％。現已研制成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。圖17示出了SiC器件特性的現狀。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研制成異質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。基于這種結構的器件具有優良的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。表面電荷控制結構可得到高的棚-漏擊穿電壓和減少電流破壞。由于這種結構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公司所開發成功的單芯片氮化物半導體功率晶體管試驗樣品，創造了新記錄，首次突破了100W的輸出功率。這項成果，是為了適應移動通信的要求而開發的。移動通信產業的基站，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，氮化物半導體晶體管的最高輸出功率記錄是Crec公司創造的，輸出功率達到51W。將4個與此次試驗樣品相同的晶體管，按照工業界的標準方法組合起來構成一個器件時，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體技術。 Cree公司研制的GaN分立器件和MMIC的目標是高頻(5-35GHz)商業寬帶通信應用以及軍用雷達和通信應用。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，大的調諧帶寬為13％，可控電壓為1~9V。