微波半导体功率器件及其应用

        ： 本文介绍了微波半导体技术主要特点、功率器件和单片集成电路的特性及其应用。 关键词：微波；高电子迁移率晶体管(HEMT)；异质结双极晶体管(HBT)；单片集成电路 中图分类号：NT385 文献标识码：A 3．3微波单片集成电路(MMIC) 微电子在提高集成度的同时，继续提高工作频率和功率，向微波、毫米波进军，出现微波、毫米波单片集成电路(MIMIC)，从而推动了在传统无线电高频领域工作的通信、雷达、导航、测控等的全部微电子化，表示通信技术进步与微电子的发展。 近年来，在微波、毫米波单片集成电路领域内，最引人注目的是美国国防部发展军事微电子电路总计划之一的MIMIC计划，此计划总的目标是开发1-100GHz频率范围内的各种单片电路，且要求其成本低、性能好、体积小、可靠性高，能批量生产。 3．3．1 功率MMIC 随着卫星通信、相控阵雷达和电子战系统的发展，对功率MMIC放大器的需求日益增长，使其已成为研究的重要领域。在18GHz以下主要是GaAsMESFET和HBT器件功率MMIC放大器。在18GHz以上，则是PM-HEMT的功率MMIC放大器。NECCorp研制成全增强型VQ为+0．25VHJFET，PAE在31．5dBm输出功率下为79．6％，输出增益G，在836MHz为11．5dB，采用E-HJFET研制成二级功率放大器，在3．5V单一电源下工作，MMIC的PAE为71．9％，输出功率为31．5dBm，在836MHz下，功率增益为24．5dB，在零偏置电压下，MMIC总的漏电流为5μA。Mitsubishi ElectronicCorp研制成用于Ka波段通信系统的MMIC--级功率放大器，在30GHz下，输出功率为1．44W，芯片尺寸为 1．94mm×2．0mm。TRW公司采用0．0508mm厚PHEMTMMIC和氧化铝微带组合器研制成3WQ波段PHEMTMMIC功率放大器模块，在45GHz下，峰值效率为25％。ITr8404FN／FP是GaAsTEK公司推出的单片微波集成电路功率放大器，在5．5-7GHz范围内，其饱和状态下的额定输出功率为6W，且具有高达16dB的线性增益，在IdB压缩点上的输出功率为4W，IP3为43dBm。在6．25GHz时的谐振响应为-35dBc，输入功率为21dBm。寄生响应小于-45 dBc。该放大器的输入输出阻抗均为50n，避免了对匹配器件的需求，并可节省电路板的尺寸，其存贮温度为-40t～+100℃。非常适合于大功率应用的场合。法国AlcatelSpacelndustries采用PHEMT的线性和非线性模型制作的二级MMIC放大器，在2dB增益压缩下输出功率为39dBm，在3．5-4．5GHz下，线性增益为27dB，PAE为42％，图4示出8WMMIC的照片。MarTInCom研制成高放倍频PHEMT功率放大器，在3-6GHz下，平均功率11W，功率增益17dB，PAE为42％，峰值性能在PAE为54．5％下，达到17W。图5示出了高效MMIC功放的照片。DefenceResearchAgency研制成三级6-18GHz双沟道MMIC功率放大器，可应用于电子战。该放大器采用0．25 μmT栅，MBE生产GaAs-InGaAs-A1GaAs，n功率PHEMT工艺制作，沟道小信号增益在6-18GHz，输入失配损失>12dB，为24．1土3．4dB。在2dB增益压缩时单沟道输出功率在6-18GHz下为3．4土1．1W(脉冲)和2．4土1．1W(连续)，采用非芯片健合器，双沟道放大器输出5．1土1．3W(脉冲)，4．3±1．3W(连续)，小信号增益为24dB土3．5dB，6-18GHz。MMIC采用GaAsPHEMTFoundry工艺制作。Sanders公司研制成型号为SGPA-07006-CC~级单片微波集成电路功率放大器，频率为37-40GHz，工艺采用本公司的0．151AmGaAsPHEMT工艺。TriquintSemiconductor公司采用0．25pmPHEMT技术研制成3．48mm2，0．5W，40GHz功率放大器MMIC在6V漏偏置条件下，二级功率放大器获得小信号增益15．6dB，在ldB增益压缩下，输出功率为26．5dBm，饱和输出功率为27．9dBm，功率附加效率为26．6％。图6示出功放照片。TRW公司采用0．11xm AlGaAs／InGaAs／GaAsT栅功率PHEMT研制成二级单片W波段功率放大器。这种MMIC功率放大器在94GHz下线性增益为8dB，最大输出功率300mW，峰值功率附加效率为10．5％，衬底厚度为0．0508mm。图7示出W波段单片功率放大器的照片。日本FujitsuQuantumLtd．研制成低成本金属陶瓷封装的K波段大功率MMIC放大器模块，并可应用于K波段高速无线系统。这种PA模块由于一个激励放大器MMIC和一个功率放大器MMIC组成。在23GHz和26GHz下总的增益为30dB，Pm为33dB。这种模块总的性能G(dB)×△f/fo为以前的二倍。TRWRFProductCenter报道了相关功率增益21．5dB的6W，24％PAEKa波段功率模块。功率模块由激励放大器、二级功率放大器芯片组成。这种MMIC放大器采用0．151xmlnGaAs／A1GaAs／GaAslmMT~术制作在0．0508mm厚的衬底上激励放大器的输出功率为27．5dBm，功率增益10．7dB，PAE为27％。输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组合器(制作在氧化铝衬底上)组成。这种MMIC功率放大器输出功率为35．4dBm(3．5W)，PAE为28％，相关增益为11．5dB。8路组合器的插入损耗为0．6dB。图8示出了激励放大器MMIC芯片。 MitsubishiElectricCorp．研制成用于GSM900／1800应用的3．2VT作芯片HBTMMIC功率放大器。这种IC的输出功率用于GSM900，Pou，为34．5dBm，PAE为5％，用于GSMl800(DCSl800)Pou：为32dBm，PAE为42％TRWElectronicandTechnologyDivision研制成0．5-16GHzCaAsHBT中功率放大器；MMIC，其中功率放大器示于图9。TRWInc采用CaAs／A1GaAsHBT研制成高可靠X波段MMIC放大器。静态收集极电流密度为20kAIcm2，芯片调节的单级平衡放大器在125T结温下MTF(median-TIme-failure)为4×1017小时。59HIA MMIC单级平衡放大器工作频率为5-9GHz，曲型增益为11dB，芯片尺寸为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为20％，在3GHz下，峰值效率为30％。图10示出HBTMMIC放大器照片。HitTIteMircrowave已研制成HBT单片微波集成电路功率放大器，工作频率为4．4-6．0GHz。该放大器采用非全封闭基座的无引线封装，即表面贴装封装技术，以便改进RF和热特性。型号为HMC415LP3，其特性：增益为20dB，饱和输出功率为+26dBm，PAE为34％。电源电压为3V。TI公司研制成应用于S波段和C波段的单片I-IBT功率放大器。该放大器在S-C波段的增益约为18dB，最大输出功率为15W，芯片尺寸为6．6×9．1mm。图11示出15W双波段HBTMMIC功放照片。图12示出功率放大器的水平。 表11和表12分别示出功率MMIC放大器特性和毫米波MMICPA性能。 3.3.2其它MMIC 除了低噪声MMIC和功率MMIC之外，MMIC在混频器、倍频器、开关、衰减器、振荡器、移相器等领域也取得很大成绩，制出了不少高性能的单片电路，现叙述有关单片电路。 （1）变频器 TriquintSemiconductorTexaslnc．研制成宽带、小功率，+3．0VPHEMT下变频IC，并可用于卫星通信系统。下变频器全部集成在单片上，无须外匹配元件。该MMIC有300~800MHzRF-Lo带宽和185~2085MHz IP带宽。UKDefenceEvaluationResearchAgency研制成用于卫星通信接收机的多功能MMIC，工作频率43．5~45．3GHz。该电路采用0．25μmPHEMTGaAs InGaAs-A1GaAs生产线工艺在GECMarconi Materials TechnologyLtd．制作。多功能MMIC在一块芯片上集成一个低噪声放大器、下变频器、本机振荡器、倍频器和缓冲放大器，其芯片尺寸为3．0 ×3．8mm2。噪声系数为4．3dB，本机振荡器在0dBm时的变频增益为8dB。 (2)倍频器、混频器 M／A-COMInc．采用GaAsHBTMMIC技术研制成模拟频率倍频器。在基频至14GHz，平均0-3dB变频增益和10dB衰减。图13示出HBTMMIC倍频器照片。表13列出混频器的研究水平。 TheUniversityOfLeeds研制成新型77GHzMMIC自振荡混频器。混频器采用单个PHEMT同时做到混频和倍频。这种混频器在77GHz下测得变频损耗为12dB，70-85GHz的平均所测变频损耗为15dB。 (3)滤波器 France''UniversityOfLimoges采用低频递归方案和全MMIC研制成新型微波滤波器。采用这种方法实现的滤波电路可应用于窄带滤波。中心频率为7GHz。 (4)收／发MMIC 德国FraunhoferlnstituteforAppliedSolideStatePhysics(1AF)采用双栅PHEMT研制成应用于FMCW雷达系统的小型共面收／发MMIC。该芯片有二级中功率放大器，一个单端阻性混频器，一个环行波导耦合器组成，依赖于0．15，lmGaAsPHEMT技术，在77GHz下，输出功率为10dBm，变频损耗为1．5dB，整个芯片尺寸仅为1．75× 1．75mm2。图14示出收／发MMIC的照片。Japan Telecommunications Business Group，Oki Electriclndustry Ltd．采用GaAsMESFET技术研制成用于1．9GHz PHS无线电通信的单芯片的RF收发机MMIC。MMIC特性，RF收发机包括一个SPDT开关，一个二级LNA，一个下变频器，一个双平衡混频器，一个AGC放大器和一个自偏置控制电路。芯片尺寸为9．3mm2。封装在带有热沉的48pinTQFP中。图15示出其方块。 NEC公司已经研制成小型高精度Ka波段4bit的单片移相器。电器结构为转换驱动式，可串接22．5°、45°、90°、180°各移相单元。作为线路转换器件，采用由欧姆电极共有技术(UEST)制作的非谐振式超小型FET开关。该开关的器件为0．15μm栅的A1GaAs／InGaAsHFET，尺寸为0．17mm×0．7mm，在0～40GHz下，插入小于1．5dB，隔离度在25dB以上。整个单片移相器尺寸为2．2mm× 2．5mm。在33-36GHz较宽的频率下，获得了相对移相误差低于70rms，插损偏差为1．2dBrms的移相特性。 日本三菱电机研制成工作于40GHz波段的MMICVCO。该器件为了控制谐振，采用了加载薄膜电阻的单披长微带谐振器，形成90°，反相式调谐电路的MMICVCO。串联谐振电路的变容管使用GaAs衬底上的肖特基结，获得了谐振范围493MHz，偏离1MHz相位噪声--84dBC／Hz的良好特性。有源器件采用栅宽Wg=100pm，栅长Lg=0．15，Am的A1GaAs／In GaAsPHEMT，它不仅作为反通道漏接地使用，还作为输出的反射短截线。因此在40GHz下获得足够的反射增益。 德国Siemens公司研制成用于毫米波传感器应用，特别是汽车雷达系统应用的单片单元(set)。它由高集成收发芯片，一个压控振荡器，一个谐振混频器和中功率放大器组成，这种MMIC的工作频率范围为76-77GHz，并用GaAsPHEMT制作。 FuiitsuQuantumDevicesLimied采用倒装技术和0．15μmInGaAs／GaAs HEMT工艺研制用于毫米波汽车雷达的76GHzMMIC芯片单元。芯片单元由一个76GHz放大器(芯片尺寸为1．2×1．9mm2)，一个76GHz混频器(1．9× 2．4mm2)，76GHz几个SPDT开关(1．2×1．9mm2)，一个38GHz倍频器(1．9 ×2．4mm2)，一个38GHz压控振荡器(1．2× 1．9mm2)和一个38GHz缓冲放大器组成。另外，日本也报道了38GHzHBT振荡器，其照片示于图16。 日本HitachiLtd．CentralResearchLab．研制成用于汽车远程雷达的77GHz全MMIC。 为了满足雷达系统的要求，需要研制w波段MMIC。为适应频率调制连续(FMCW)雷达系统设计许多MMIC。采用高可靠0．181lmHJFET制作工艺来研制毫米波MMIC。 France Uniteal Monohfic Semiconducters研制成应用于76．5GHz适应航行(ACC)汽车雷达的毫米波前端。这种ACC雷达基于FSK(Frequency shiftkeying)。毫米波模块采用了3块MMIC组成单芯片单元来制作。三块MMIC分别为本机振荡器芯片，功率发射芯片，下变频接收芯片。 3．4宽带隙半导体微波器件 近年来，以SiC、GaN和半导体金刚石为代表的宽带隙半导体微波器件的研究开发引入注目。这类器件适宜在高频、高温(>500℃)、强辐射环境下工作，具有优异的微波功率性能，其中以SiC的器件技术最为成熟。目前符合质量要求的75mm的SiC单晶已研制成功。1993年Sriram．S等人报道的6H-SiCMESFET在6GHz下，输出功率为3W，增益为6dB，功率附加效率为44．5％，Creelnc研制成型号为CRF-22010是碳化硅(SiC)功率金属半导体场效应晶体管(MESFET)，并可用于A级和AB级放大器。这种器件在3GHz下，最小输出功率为10W(1db压缩)，在2GHz典型输出功率为12W。典型漏效率为45％，典型增益为12dB。Motorolalnc已研制SiCMESFET，在58V、3．1GHz下，输出功率为80W，PAE为38％。 SiC MESFET器件的B类功率在1.8GHz输出功率达到28．3dBm(功率密度2W／mm)，功率附加效率为50．4％。现已研制成SiCMESFET的栅宽为0．71Am，在2．1GHz下，P1dB为15W(CW)，功率附加效率为54％，SiC MESFET的fT为8．5GHz，fmax为25GHz。SiC垂直沟道场效应管(SIT)达到了很高水平，600MHz下单管输出功率为450W，多管模块等1000W；S波段，放大器的P0达36W。PAE达42％，适用于雷达系统。图17示出了SiC器件特性的现状。表14列出目前SiC器件的性能。 由于GaN电子速度高、驰豫时间短，GaN转移电子器件工作频率比GaAs及InP同类器件高一倍；另一方面GaN具有较高的电强度，因而材料可以重掺杂，并可在较高偏压下工作，器件的功率大，与GaAs相比高出数百倍，功率密度达到kW／mm2。 美国UniversityOfSouthCarolina已在周长0．15~6mm SiC衬底上研制成AIGaN/GaN MOSFET。这些多栅器件采用新的氧化--桥接方法。6mm器件的饱和电流为5.1A。栅长1.5μm时，栅漏为1μA/cm2。截止频率为8GHz。在2GHz下测得大信号输出RF功率高达2.88W/MM。研制成GaN HFET在52V，2GHz下，最大CW功率为108W。 美国University of Illinois在半绝缘SiC初底上研制成栅长为0.12μmA1GaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。这种0．12μm栅长器件显示出最大漏电流密度1．23A／mill，峰值跨导为314mS／innl，阈值电压为-5．2V，截止频率fT为121GHz，最高振荡频率fmc,为162GHz。这种／T和／咄的值是迄今GaN基HEMT所报道的最高值。 Nitronex Comporation在100mm硅片上已研制成A1GaN／GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)。这种GaNHEMT器件的最大漏电流为900mA／mm，峰值占，为300mS／mm，微波输出功率密度为1．5W／nun。这是迄今为止在100mm硅片上GaNHEMT所报道的最高水平。 美国CreeLightingCompany在SiC衬底上研制成100-150μxm栅宽AIGaN／GaNHEMT，在8GHz下，可得到9．8W／mm功率密度，PAE为44％，最大电流大于1A／mm，小信号的截止频率为60-100GHz。美国加利福尼亚大学研制成异质mAlGaN／GaNHEMT。对于通常的HEMT在高的层电荷密度下，插入极薄的A1N界面层(-lmm)保持高迁移率，提高有效厶Zc和降低合金散射。基于这种结构的器件具有优良的DC和RF性能。在Vos为2V下，高的峰值电流为1A／mm，在8GHz下，功率附加效率为28％时的输出功率密度为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。表面电荷控制结构可得到高的棚-漏击穿电压和减少电流破坏。由于这种结构可得到最佳阈值电压，最大漏电流1A／mm，栅-漏击穿电压为200V。一块24mm宽棚芯片的输出功率在2．2GHz下，为45．6dBm(36w)，线性增益为9．7dB。 NEC公司所开发成功的单芯片氮化物半导体功率晶体管试验样品，创造了新记录，首次突破了100W的输出功率。这项成果，是为了适应移动通信的要求而开发的。移动通信产业的基站，需要更小体积、更高输出功率的放大器。 最大输出功率是在2GHz、占空比为10％的条件下测得的最大输出功率达到113W。在此以前，氮化物半导体晶体管的最高输出功率记录是Crec公司创造的，输出功率达到51W。将4个与此次试验样品相同的晶体管，按照工业界的标准方法组合起来构成一个器件时，其输出功率将超过450W，远远超过目前的最高水平。Crec公司研制成工作频率10GHz的GaNHEMT，脉冲RF功率为40W。该器件可用于混合放大器。12mm器件的特点：PAE为20％，功率密度为3．39W／mm。Cree已报道GaNMMIC，生长在半绝缘SiC衬底上，初步结果为：9GHz，RF脉冲功率为20W，增益为14dB，PAE为20％。 Johnpalmour说，40W混合放大器大大改进在GaAs上的功率性能，可在高热导率半绝缘SiC衬底上制作GaN器件。Cree公司坚信，GaNMMIC标志着高性能宽带MMIC基放大器新时代来到，并期待功率和带宽方间更好地其他半导体技术。 Cree公司研制的GaN分立器件和MMIC的目标是高频(5-35GHz)商业宽带通信应用以及军用雷达和通信应用。该公司的GaN混合和MMIC放大器分别受到美国空军研究实验室和海军研究实验室特别关注。 RF Nitro Communication lnc首次报道了大功率A1GaN／GaNFET基高效VCO，其特性为，大功率2．7W，高效率为27％，高的电源电压为3．5-30V，大的调谐带宽为13％，可控电压为1~9V。