固态微波毫米波器件技术进展

摘要

固态微波毫米波半导体材料与器件、固态微波毫米波电路与模块、毫米波与太赫兹技术以及新型固态微波毫米波器件在近年来有很大的发展，在相控阵雷达、电子战、军民用通信领域有广泛的应用前景。当前这些器件应用较为集中于各类 T/Ｒ 组件。文章按固态微波毫米波半导体材料与器件、固态微波毫米波电路与模块、毫米波与太赫兹技术以及新型固态微波毫米波器件的顺序，概要介绍了固态微波毫米波技术的新进展。

X波段GaN PA的裸片照片

引 言

固态微波毫米波器件，包括固态微波毫米波半导体材料与器件、固态微波毫米波电路与模块、亚毫米波与太赫兹技术以及新型固态微波毫米波器件，在近年来有很大发展，在相控阵雷达、电子战、军民用通信领域有广泛的应用前景。

其中应用固态微波毫米波半导体器件最多的是各类 T/Ｒ 组件，包括传统的微波 T/Ｒ 组件、数字化T/Ｒ 组件、新型多模式 T/Ｒ 组件，因为其应用功率大小、功能差异对固态微波毫米波半导体器件提出的要求也有不同侧重。当前，反隐身雷达工作频率低，等效电口径受限，需要很大的组件功率输出，相似的还有电子干扰远程支持系统，以及功率要求更高的高功率微波武器用组件。它们需要高性能 GaN器件提供百瓦至万瓦的高效率、采用先进封装便于高效合成的功率器件。如图 1 所示，该类组件多采用多级放大和多路功率合成的电路结构。

图 1 高功率微波 T/Ｒ 组件

对于工作于高频段的机载、弹载系统的 T/Ｒ 组件，芯片化、高集成化则是另一个关注要点。考虑到兼顾收发同时工作，现在 T/Ｒ 组件“双芯片解决方案”已经被提出并应用，其中低功率的收发部分采用 CLC(共脚芯片)或者 MFC(多功能芯片)。MFC芯片面积较大，成本较高，开发系列宽带产品在不同系统中复用是降低成本的重要路径。

40-4000mhz的高功率放大器Gan MMIC PA

数字化 T/Ｒ 组件、新型多模式 T/Ｒ 组件为新型电子系统提供灵活的波束合成、自适应空域处理条件，提供兼容多体制通信、电子战、雷达的多模式收发技术，能够满足各类综合一体化需求。越来越多的数字技术进入组件，为数字增强微波、软件定义硬件(SDH)等新技术创造了条件，各类固态微波毫米波半导体器件的异质混合工艺、异构集成手段会有许多用武之地，将诞生系列全新的微波产品，如数字增强的微波发射电路、微波收发有源全双工、微波光子器件等等。当然新技术还包括新型碳电子器件等新型器件技术。

目前军用电子的微波毫米波应用频段主要在W 波段及以下频率，国内新一代通信开放了 3．3～3．6 GHz、4．8～5．0 GHz、24．75～27．5 GHz、37．00～42．5GHz 特许频段 ，欧、美、日、韩还关注了 V 波段、E波段甚至 D 波段。这里有两个信息值得关注，一是频谱资源日益紧张，需要开发新的适合的军用频谱; 二是民用技术先行，由于民用核心器件美欧的优势地位，会使得军用领域高频段器件出现大面积技术落后的风险。由此可见扩频段是未雨绸缪的安排。

近年来，围绕这些军民用需求，固态微波毫米波器件从固态半导体材料、器件、单片集成电路到新型器件都有很大发展。

1 固态微波毫米波半导体材料与器件

目前 GaN 微波功率器件是固态微波毫米波半导体器件中发展最迅速的器件，工作波段已达到 3mm 波段，6 英寸晶圆，最小特征尺寸为 40 nm。随着材料和器件工艺技术的进步，提升 GaN 微波功率器件工作频率向 G 波段迈进是 GaN 微波功率器件研究的重要内容，同时保持击穿电压和晶体管截止频率乘积大于 5 THz·V，实现用于混合信号应用的1000 晶体管、高输出、500 GHz E/D 模式 GaN 技术 ，美国休斯研究实验室(HＲL)已实现 180 GHz工作的 GaN 功率单片电路 。

微波功率器件品种也得到丰富发展，包括高线性高效率高放大功率的固态微波器件、高放大功率可重构的固态微波器件等等。同时，配合系统应用的高效散热技术、高功率限幅器件、高功率开关器件、超高功率合成以及先进封装技术也发展成熟。GaN 微波功率器件和电路已获得广泛应用，GaN 微波功率器件的宇航应用正在推进。

先进的GaN on SiC工艺，提供极高的功率密度 125 W连续波射频功率

2016 年，国际半导体技术发展路线图(ITＲS)更改为国际器件与系统路线图(IＲDS) 。2012 年美国国防部高级研究计划局(DAＲPA)推出的“多工艺异质集成”(DAHI)项目 ，旨在开发一种先进的晶体管级异质集成工艺，使得设计师们可以根据设计所需自由地选择材料、器件或电路技术，最大限度地发挥各种器件的性能优势。2014 年 Northrop Grum-man 公司利用该技术研制的超宽带模数转换器(ADC)，其无杂散动态范围(SFDＲ)等性能达到目前最好水平。

先进半导体器件建模是半导体技术发展到一定程度的必然产物，相对应的建模组织有欧洲的系统建模研究组 (MOSAK) 和美国的紧凑模型联盟(CMC)。图 2 是美国 CMC 的模型标准化进程 ，可见在硅基模型进入成熟化后，GaN 器件模型也进入标准化进程。

图 2 CMC 的模型标准化进程

2 固态微波毫米波电路与模块

固态微波毫米波半导体的应用，最终是以微波毫米波单片集成电路与模块形式实现的，微波毫米波单片集成电路的大量技术集中在少数几家公司，如高通、博通、德州仪器、意法半导体、恩智浦、英飞凌等，相关产品通常军民两用，这些顶级集成电路公司代表着全球最高的技术水平。

超宽带微波芯片为现阶段微电子领域重点研究方向。国外目前在超宽带微波芯片和多通道收发机方面已有初步发展。如德州仪器公司的 LMX2594超宽带锁相环芯片，可支持 10 MHz～15 GHz 的超宽带信号输出;亚德诺半导体公司的 ADF5356 超宽带锁相环芯片，可支持 53．125 MHz～13．6 GHz 的超宽带信号输出。此外，大量的超宽带放大器芯片、超宽带衰减器芯片、超宽带混频器芯片均有发布。

另外，各类可重组多功能多模式微波芯片与前端、数字增强微波芯片、支持集成光子电路的高速微波芯片是现在射频系统特别关注的对象，用以支持电子系统的灵活、复杂、高性能需求，来完成对复杂信号传输的性能保障。

美国在 DAＲPA 计划发布的 IＲFFE、SMAＲT 和ＲF－ FPGA 等 计 划，已 经 实 现 了 部 分 目 标。如ELASTx 计划 ，实现了单片集成的数字辅助的调制、驱动、功率放大与线性化，第一阶段实现了45 GHz频率 3．5 GHz 带宽，第二阶段实现了 94 GHz载频 5 GHz 带宽。民用技术方面也取得不少进展，如美国德州仪器公司(TI)的 9371/9375 芯片集成了射频收/发/校准通道，同时具备数字预失真及温度补偿等功能;美国美信公司的 SC1894 线性化器等等。

在毫米波频段的数字增强微波器件工艺技术选择方面，CMOS、SiGe、GaN 和 GaAs 有着不同的解决方案和不同的性能特点。

3 亚毫米波与太赫兹器件

亚毫米波、THz 器件目前主要应用于近距离探测、成像、无人系统以及下一代宽带无线通信，虽然主流的军事应用还未发展壮大起来，但是拥有充沛的频谱资源，潜力巨大。

SiC 衬底 GaN HEMT 器件功率输出优势明显，商业产品不断向亚毫米波段推进，目前工作频率可到 220 GHz。

InP HEMT 和 InP HBT 是实现亚毫米波 THz 低噪声和功率放大最具性能优势的器件，行业优势企业已经建立了 4 英寸 0．25μm InP HBT 以及 25 ～35 nm InP HEMT 成熟工艺线，器件截止频率达到600 GHz 以上。2015 年，Northrop Grumman 公司采用 25 nm 技术研制出 1 THz 的低噪放单片。美国加州大学圣塔芭芭拉分校(UCSB)与 Teledyne 公司合作采用 250 nm InP HBT 技术研制出 220 GHz 单片放大电路，输出功率 200 mW;研制的 300 GHz 单片放大器电路，输出功率达到 20 mW 。

太赫兹二极管芯片技术发展已经相当成熟，最高工作频率已达 3 THz，实现了太赫兹频段的全覆盖。由于太赫兹间隙(THz Gap)的影响，目前为止各国在 500 GHz 以上频段实现的倍频功率还比较低，例如美国 VDI 公司太赫兹二极管产品在 510～525 GHz，输出功率典型值 1～1．5 dBm。太赫兹二极管在混频接收方面，以美国 VDI 公司为例，在300 GHz时 DSB 噪声温度在 1000 K 左右，600 GHz时 DSB 噪声温度在 2100 K 左右，874 GHz 时 DSB噪声温度 4000 K。

目前 65 nm SOI CMOS 的最大频率已经达到450 GHz，射频 CMOS 电路的工作频率已开始向太赫兹频段发展。预计 CMOS 工艺的特征尺寸将减小到 10 nm，截止频率将接近 1 THz。德国 IHP 公司采用 0．13μm SiGe BiCMOS 工艺研制出 245 GHz 低噪声放大器芯片 。

亚毫米波 THz 无源器件及封装方面，多数研究集中在采用硅 DＲIE 刻蚀工艺及 SU－8 波导技术、LIGA 波导和微同轴技术，最高工作频率可达 2 ～3 THz。还有将多个有源器件和各自的辐射天线集成在一块芯片上的，如美国麻省理工学院提出的1 THz SiGe 片上系统。

4 新型固态微波毫米波器件

美国和日本的研究人员已经成功研制出基于碳纳米管晶体管的柔性太赫兹探测器，实现了世界首例可弯曲共形、可穿戴便携的较高灵敏度的宽频带太赫兹探测扫描仪，且能在室温下工作，使得太赫兹探测成像设备轻质便携。

石墨烯材料方面，SiC 高温热解法制备大尺寸晶圆级石墨烯材料也取得了很大进展，适用于微电子器件制作。目前厘米级石墨烯材料迁移率报道是Tymoteusz ，Ciuk 等人尺寸为 1×1 cm 2 的单层外延石墨烯材料，室温迁移率为 6600 cm 2 /V·s 。高频器件和电路方面，2012 年，美国加利福尼亚大学研制的石墨烯晶体管，电流截止频率达到 427 GHz，为目前国际最高。等离子激元太赫兹探测器/放大器研究方面，较新的报道是 A． Zak 等人的基于 CVD(化学气相沉积)生长的石墨烯的室温太赫兹波探测器，0．6 THz 辐射下，单层石墨烯太赫兹探测器电压响应度提高到 14 V/W，等效噪声功率为 515 pW/Hz 1/2 。石墨烯太赫兹放大器的研究主要集中在理论计算和仿真模拟方面，新的仿真结果表明周期性的石墨烯/介质结构具有放大太赫兹波的特性。

氢终端金刚石研究有很大进展，日本早稻田大学所开发的金刚石场效应管(FET)在 1 GHz 输出功率密度达到 3．8 W/mm，效率 23%; 金刚石基氮化镓器件方面，2019 年 1 月 8 日，美国 Akash 公司宣布金刚石基 GaN 器件，Ka 波段表现出 60%的功率附加效率，将被集成到 3U 射频发射机中，并随卫星发射，用于数据传输，其可以增加容量和降低用户成本 。

氧化镓器件研究热点集中在功率 MOSFET 和功率 SBD 两种器件。2018 年纽约州立大学布法罗分校研制出 1850V β－Ga2 O 3 MOSFET ，为目前已报道最高值。2018 年西安电子科技大学基于蓝宝石衬底异质氧化镓材料，研发出含场板结构的 3kV横向 β－Ga2 O 3 SBD，为已报道最高耐压级别。（参考文献略）

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本文转载自“电子万花筒”，原标题《固态微波毫米波器件技术进展》。

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