微波固態器件與單片微波集成電路技術的新發展*

周德金，黃 偉，寧仁霞

(1.復旦大學微電子學院，上海 200443；2.清華大學無錫應用技術研究院，江蘇無錫 214072；3.桂林電子科技大學廣西精密導航技術與應用重點實驗室，廣西桂林 541004；4.黃山學院信息工程學院智能微系統安徽省工程技術研究中心，安徽黃山 245021)

1 引言

二戰以來，隨著雷達、無線通信以及無線電導航技術需求的不斷增長，發達國家越來越重視戰略地位高的微波理論與技術并投入大量的人力和物力，一批科學家和工程技術人員也開展了一系列卓有成效的工作，將微波領域由波導立體電路為主推進到現在以單片微波集成電路（MMIC）為主，并不斷探索新的微波技術。

20 世紀60 年代，平面混合集成電路逐步發展起來，屬于微波混合集成電路（HMIC）。到20 世紀70 年代，砷化鎵（GaAs）材料和器件工藝日趨成熟，加快了微波集成電路（MIC）的發展。射頻電感和電容也得以采用半導體平面工藝加工而實現了片內集成，微波電路從MIC 向體積小、壽命長、可靠性高的MMIC 過渡，并逐漸成為微波技術半導體發展的主流趨勢[1]，硅基互補金屬氧化物半導體（Si CMOS）、鍺硅雙極-互補金屬氧化物半導體(SiGe BiCMOS)、砷化鎵異質結雙極晶體管(GaAs HBT) 或贗配高電子遷移率晶體管(GaAs PHEMT)、磷化銦異質結雙極晶體管(InP HBT)或磷化銦高遷移率晶體管(InP PHEMT)等MMIC 工藝呈現出共同發展的局面，較好地滿足了微波設備系統的多樣化應用需求。

進入21 世紀，隨著人類各方面需求的提高，射頻微系統的小型化、多功能化、功率密度進一步提升，相繼誕生了氮化鎵高電子遷移率場效晶體管（GaN HEMT）技術、異構集成技術和異質集成技術，并正成為未來發展的重點和熱點。本文緊密結合軍用相控陣雷達系統、現代通信系統在波束賦形、多進多出（MIMO）的共性應用趨勢，對微波毫米波器件與電路、射頻微系統進行了梳理與歸納。

2 MMIC 器件工藝及發展狀況

MMIC 是在半導體襯底上用半導體平面工藝法制造出有源器件和無源元器件，用金屬微帶線連接起來構成應用于微波頻段的功能電路。在芯片材料和器件工藝方面，目前比較成熟的工藝技術有Si RF CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs HBT、GaAs PHEMT、InP HBT、InP PHEMT 等，GaN HEMT 技術處于快速發展階段。基于Si、SiGe、GaAs、InP 的MMIC 工藝已較成熟，主要的器件和工藝研究集中于應用拓展和性能提升、完善成品率、降低制造成本和提高晶圓產能。

2.1 Si

以Si 基金屬氧化物絕緣柵場效應管為主的CMOS 技術，按摩爾定律發展，其特征尺寸在2011 年達到22 nm,隨后以FinFET 技術為主的新器件、新工藝持續發展，FinFET 量產特征尺寸在2017 年也達到了10 nm，并在朝著7 nm、5 nm、3 nm 邁進。

RF CMOS 是基于標準CMOS 改進的，適合射頻電路應用的器件技術，最早研究于20 世紀90 年代中期。該技術的最大優勢在于可以實現大規模集成，實現模擬與數字電路結合，最終實現系統集成芯片。但是，隨著特征尺寸的縮小，晶體管的工作截止頻率并未趨于更高，且密集布線所產生的寄生效應給射頻電路設計引入了不利因素。因此，目前微波毫米波電路所采用的RF CMOS 工藝主要仍是90 nm、65 nm、40 nm、32 nm、28 nm 等制程。65 nm 的SOI CMOS 最高振蕩頻率(fMAX)已達到450 GHz，完全可用于毫米波和太赫茲芯片設計[2]。此外，由于RF CMOS 具有與標準CMOS 工藝兼容、低成本、高集成度、產能高等其他化合物所不具備的先天優勢，目前成熟的應用包括涉及無線通信芯片行業的GPS 接收機芯片、2.4 GHz 藍牙收發機SoC、GSM 手機收發SoC。RF CMOS 工藝的應用研究集中在微波毫米波功率放大器、多通道低成本相控陣系統集成SOC 以及數字PA、通信基帶模塊等方向。

5G 通信催生了各種材料工藝的射頻芯片。2017年（ISSCC）SHAKIB 等[3]報道了一款26～33 GHz 寬帶毫米波5G 通信用的功率放大器，采用40 nm 工藝制程，在1V 工作電壓下，27～33GHz 輸出功率大于15dBm，帶寬800 MHz，峰值效率（PAE）大于33%，EVM 小于-25 dBc；2013 年（MTT）SHIN 等[3]報道了一款采用0.13 μm CMOS X 波段4 通道的相控陣發射機，每個通道集成了幅相控制電路和功率放大電路，在3 V 工作電壓下，每個通道輸出功率超過135 dBm；2017 年（CICC）QIAN 等[5]報道了一款3～7 GHz 4 通道數字調制相控陣發射機SOC，該芯片采用40 nm 工藝，相位控制精度小于0.35°，幅度誤差小于0.2 dB，在1.1 V/1.2 V 電源電壓下的輸出功率大于21 dBm，整體PAE高達38%。

另一方面，曾側重于數字電路設計的FinFET 技術也正在被用于面向基帶應用的模擬電路開發，并能與數字電路較好地集成。例如，目前Intel 22 nm 制程之后的CPU、高通最新發布的驍龍系列SOC 等，都是基于FinFET。然而，因為FinFET 的晶體管尺寸非常小，布線非常密集，晶體管的布局布線在射頻頻段會產生嚴重的寄生效應，射頻電路設計難度很大。即便如此，在技術與需求的推動下，FinFET 工藝射頻電路還是取得了一定的成果。2017 年（ISSCC）PAOLO 等[6]報道了一款2.4 GHz 的數字極化發射機SOC，該發射機采用Intel 14 nm Trigate/FinFET 制程，在1 V 電源電壓下，單通道輸出峰值功率超過19 dBm，PAE 超過32%，在輸出功率為12 dBm 時，EVM 小于-31 dBc。

全耗盡絕緣硅（FD-SOI）是另一種先進硅材料體系的硅芯片制造工藝。它是在絕緣氧化硅埋層/單晶Si 襯底材料體系上生長一層超薄的單晶硅層后再研制平面晶體管結構的技術。FD-SOI 技術集成了兩個創新工藝：一是超薄的硅層制造晶體管溝道；二是底部硅層上生長超薄的氧化絕緣層，故其仍能沿襲現有的CMOS 工藝制程，實現摩爾定律的芯片面積微縮、性能提升和能耗降低。相比FinFET 新工藝，FD-SOI 更容易實現，加工成本更低。例如，相對統一特征尺寸的標準CMOS 工藝，28 nm 的FD-SOI 較前者具有50%射頻性能提升的優勢和更明顯的低功耗特性。FD-SOI 工藝主要面向低功耗和低成本應用，在物聯網時代，其相對于FinFET 工藝更具潛力。由于高溫下的高效存儲和功耗泄露管理，FD-SOI 能為汽車應用帶來絕佳的可靠性。目前，FD-SOI 生態系統正在壯大，多家Foundry 宣布了量產計劃，EDA 公司正在積極研發IP，Fabless 公司也正在嘗試應用設計。例如，Global Foundaries 推出了面向下一代無線和物聯網芯片的射頻/模擬PDK（22FDX-rfa）解決方案，以及面向5G、汽車雷達、WiGig、衛星通信、無線回傳等新興高容量晶圓的毫米波PDK（22FDX-mmWave）解決方案[7]。

2.2 SiGe

SiGe 合金材料的禁帶寬度小于Si 的禁帶寬度，以傳統的Si 基晶體管技術為基礎，已實現了SiGe 異質結晶體管以及集成電路的制造。SiGe 外延技術主要有3 種：分子束外延、超高真空化學氣相淀積、常壓化學氣相淀積。第一只SiGe HBT 由IBM 公司于1987年采用MBE 方式制造，隨后進行不斷完善，直到1989年，制作出理想異質結特性的HBT[8-9]。隨后，IBM、Jazz、Phillip、TEMIC 以及Global Foundries 等公司持續對集成HBT 和CMOS 技術的BiCMOS 進行不斷研究以提升SiGe 器件的性能。1998 年，IBM 公司首先推出了商業化應用的SiGe BiCMOS 5HP 工藝技術，目前更新到9HP 節點，器件截止頻率超過200 GHz。德國的IHP 和NXP 等公司也推出了各自的工藝技術。NXP 公司推出的QUBIC14 工藝器件的增益和噪聲特性可以和GaAs 相媲美。2006 年，IBM 與喬治亞理工學院合作，SiGe HBT 在液氮-268 ℃條件下特征頻率(fT)達到500 GHz[8]。

SiGe HBT 擁有較好的線性度和更高的速度，以及更好的工作電壓范圍，因此兼顧CMOS 和HBT 兩者優點的SiGe BiCOMS 是一個MMIC 芯片設計有競爭力的工藝選項，在射微系統SOC 方面也具有較大優勢，SiGe HBT 能廣泛用于放大器和混頻電路，而SiGe CMOS 能用于數字以及幅相控制電路。盡管在面對Si CMOS 競爭時，它也存在工藝成熟度相對較低和產能不足、工藝復雜以及與數字Si CMOS 電路工藝不兼容等現實問題，但SiGe BiCOMS 相對于GaAs MMIC 來說，在大批量應用時（數量超過100000 只），晶圓尺寸（SiGe 目前晶圓達到203 mm，GaAs 晶圓最大為152 mm）和集成度均體現出明顯優勢。它目前最主要的研究熱點是用于相控陣T/R 組件的小信號電路，目標是代替GaAs MMIC 在T/R 組件中的地位，實現T/R 組件低成本化。

目前基于SiGe BiCMOS 技術的主要射頻或微波毫米波芯片有低噪聲放大器、微波毫米波功率放大器、混頻器、壓控振蕩器、相控陣多通道T/R 集成SOC等，其中相控陣多通道SOC 是研究的熱點。2014 年（MTT）KU 等[9]報道了一款77～81 GHz 的多通道相控陣接收SOC，SOC 采用IBM 8HP SiGe BiCMOS 制程，集成了16 個接收通道，每通道具備幅相控制功能，且集成了本振頻率源，直接輸出為中頻信號。2016 年（MTT）ZIHIR 等[11]報道了一款工作于60 GHz 的相控陣發射SOC，該SOC 集成了16 個通道，每一個通道具備幅相控制功能，并集成了SPI、ESD、聯網等模塊功能，由16 個SOC 通過全網連接技術和芯片拼接技術，實現了256 個通道的片上系統級集成，故這在多通道系統級集成技術應用上具有里程碑意義。2017 年（ISSCC）HU 等[12]報道了一款多頻段多爾蒂結構的5G通信線性毫米波功率放大器，該芯片采用Global Foundries 0.13 μm SiGe BiCMOS 工藝，可工作在28 GHz、37 GHz、39 GHz 3 個頻道，輸出峰值功率分別為16.8 dBm、17.1 dBm、17 dBm，峰值增益分別為18.2 dB、17.1 dB、16.6 dB，對應的峰值效率分別為20.3%、22.6%、21.4%，用于5G 通信時可實現3 Gbit/s（64-QAM）的數據傳輸。

從最近幾年報道的成果能看出，SiGe BiCMOS 越來越受到人們的關注。隨著信息產業的不斷發展，以及SiGe BiCMOS 技術的持續完善和推廣，SiGe BiCMOS 將在未來的RFIC 和MMIC 應用領域中占據重要的地位。

2.3 GaAs

GaAs 材料相對于Si 具有高電子遷移速率、高漂移速率、高禁帶寬度和低襯底損耗，是制造微波毫米波最理想的二代半導體材料。GaAs 直接躍遷型能帶結構，工作溫度范圍寬，不易受到電磁輻射損傷，比較適合在宇航和核輻射的環境下工作。GaAs、InP 兩者組成的三元化合物半導體可以產生不同于GaAs 單一化合物材料的電學性能，這源于材料體系的能帶工程調控技術不斷進步。20 世紀60 年代末提出的超晶格理論和20 世紀80 年代分子外延層技術的成熟，促進了半導體材料微結構的發展。Ⅲ-Ⅴ族化合物半導體的一大優點是能夠采用晶格常數相近的不同半導體形成異質結，將Si 半導體的“摻雜工程”轉變為“能帶工程”，由此誕生了一系列新型異質結器件，例如異質結場效應管（HFET）、異質結雙級晶體管（HBT）、高電子遷移率晶體管（HEMT）、膺配高電子遷移率晶體管（PHEMT）等。

超晶格理論以及半導體薄層的量子效應是近30年來半導體物理研究中取得的重大突破。科學家基于這兩大理論掌握了振蕩頻率為400 GHz、開關速度為2 ps 的臺面Al-GaAs 諧振隧道器件（RTD）整套技術，隨后研制出一種諧振隧道雙極晶體管，并沿襲一維量子化產生量子阱的思路深入開展包含二維量子化產生量子線、三維量子化產生量子點在內的低維半導體體系研究。研究發現，當電子波封閉在一個量子線中時，會形成電子波導，而電子波導中電子的傳播與光在波導中的傳播類似。在這些器件的激發下，一些新的器件構想不斷誕生，并得到各國科技機構的關注[13]。

最為典型的就是1983 年美國投資監理GaAs 研究中心和GaAs 門陣列生產線。1986 年由美國國防部先進研究項目局DARPA 主導，總投資約10 億美元的微波毫米波單片集成電路計劃大大推動了GaAs 的研究和應用。20 世紀90 年代，微波單片集成電路和數字砷化鎵門電路這兩個研究熱點方向都取得了不錯的研究成果。例如，1991 年微波單片集成電路計劃第一階段研發出79 種MMIC 芯片，頻率覆蓋1～100 GHz。數字GaAs 芯片在1992 年進行第一次演示驗證，結果表明數字GaAs 芯片不僅可以滿足軍方需要，還能將系統的成本降低50%，系統重量和體積也能降低70%。軍方一致認為，數字GaAs 器件表現出更強的抗干擾性能。美國和歐洲在這方面給予了重點支持[13]。

GaAs HBT 于 1984 年研制成功，采用AlGaAs/GaAs 異質結替代Si 雙極器件中的p-n 結，取得了比Si BJT 更優異的性能[13]。HBT 是一種改進的雙極晶體管，其發射區和基區是由不同帶隙的半導體構成，發射區具有寬帶隙材料，這種發射極結構提供勢壘，阻擋空穴注入基區，而有利于電子的注入，電流從發射極到集電極垂直流過HBT，而不像MESFET 橫向流動，縱向電流流動能維持高的功率密度，因此HBT 是比MESFET 更為有效的功率放大器件[14]。HBT在發射極采用寬帶隙材料,HBT 基區層摻雜濃度可以非常高，從而維持高的電源增益。在GaAs HBT 中基區薄層方塊電阻僅200 Ω，比典型的Si BJT 低近一個數量級，有助于圖形的大尺寸設計。此外，GaAs 半絕緣襯底消除了對延遲時間常數和增益帶寬產生嚴重影響的集電極-襯底電容，也有助于器件的頻率特性提升。GaAs HBT 作為一種超負載雙極晶體管，GaAs電子遷移率8500 cm2/(V·s)比Si 的1500 cm2/(V·s)高，GaAs HBT 可在低Vce(小于1 V)下達到高的fT，在低電壓、小功率電路中體現出顯著的優勢。因HBT 是雙極工藝，器件可以在單一正電源電壓下工作，不像MESFET 和PHEMT 器件需要雙電源工作，故能為設計與應用帶來較大的方便。

GaAs HBT 主要應用在無線高頻通訊產品，主要體現形式是RF PA。傳統2G 手機中，一般是2 個功率放大器，一般只有一個頻段。3G 時代，一部手機平均使用4 顆PA。3.5G 時代平均使用6 顆PA。在4G 時代，基于調制方式的改進，單部手機至少需要5 顆GaAs HBT PA。若還涉及WIFI、GPS 等應用，則需要更多HBT PA。在5G 時代，數據傳輸速度將是4G LTE 的100 倍，只有高性能的GaAs HBT PA 才能滿足要求。4G 和5G 的推進是GaAs HBT 應用市場增長的主要動能[15]。2013 年上半年高通推出CMOS 功率放大器解決方案，開始打入低端智能手機供應鏈，但是由于Si材料物理性能限制，無法應用于高頻領域。因此，雖然Si 材料較GaAs 有成本優勢，但高頻PA 在5G 通信時代應用具有較高的技術門檻，市場并不會受到影響，GaAs 材料在手機功率放大器領域具有絕對的優勢[15]。

GaAs HEMT 器件生長在半絕緣襯底上，是基于AlGaAs/GaAs 異質結材料體系的器件，主要包括外延材料成型和器件制造。一般制造過程如下：首先采用MBE 等技術在純GaAs 上面連續生長高純窄帶隙GaAs 材料緩沖層、重n 型寬帶隙AlGaAs 固溶體材料摻雜層和重n 型GaAs 歐姆接觸層；接下來采用臺面腐蝕工藝，隔離器件的有源區，在重n 型GaAs 上淀積Au/Ge/Au 作為器件的源漏歐姆接觸電極，通過干法選擇腐蝕去除柵極區上面的n+-GaAs 層。在裸露的n+-AlGaAs 摻雜層表面上淀積Ti/Pt/Au 柵電極，以與AlGaAs 層面形成肖特基勢壘。因此HEMT 器件的能帶結構是在半絕緣襯底上形成兩個背靠背的勢壘，即柵電極與AlGaAs 層形成的肖特基勢壘以及AlGaAs與GaAs 形成的突變異質結勢壘。當器件柵偏壓處于平衡狀態時，異質結界面處在受到導帶偏移的作用力影響下，已摻雜寬禁帶AlGaAs 半導體的電子會翻越導帶差進入到窄禁帶為摻雜的GaAs 中，上述電子和相應的施主雜質在物理空間上是分離的，并在異質結中形成一個由AlGaAs 層中的雜質正離子指向GaAs層電子的內建電場，且在窄禁帶GaAs 層一側會形成一個近似三角形的勢阱。流向GaAs 一側的電子被限制在三角形勢阱中（二維電子勢阱），被約束在平行于異質結界面的兩維自由度方向，因此被稱為二維電子氣，即2DEG。二維電子氣中的電子具有很高的遷移率，常溫下高達8000 cm2/(V·s)，因而HEMT 器件具有高速和高增益特性。HEMT 器件是電壓控制器件，控制柵極電壓可控制異質結三角形勢阱的深度和寬度，自然能改變溝道內二維電子的面密度，進而控制器件的工作電流。PHEMT 器件是HEMT 器件的改進結構，即采用非摻雜的InGaAs 代替非摻雜的GaAs 作為二維電子氣的溝道材料制作而成的。InGaAs 材料具有比GaAs 材料更窄的能帶帶隙，增加了異質結導帶不連續性，提高了溝道電子濃度。另外，InGaAs 材料具有更小的電子有效質量，其電子遷移率高達15000cm2/(V·s)，器件的高頻特性更優[16]。

GaAs PHMET 器件的工作頻率、工作電壓與特征尺寸有關，特征尺寸已接近50 nm，可工作在毫米波和太赫茲頻段。PHMET 器件根據特性和應用，能制作面向特定應用的功能器件，例如開關器件、功率器件和低噪聲器件。目前主流的商用工藝線為4 英寸（102 mm）和6 英寸（152 mm）。GaAs PHEMT 可用于低噪聲放大器（LNA）、單刀雙擲開關（SPDT）、數控移相器（PS）、數控衰減器（AT）、功率放大器（PA）等，這些是相控陣T/R 組件的核心MMIC。2008 年有報道利用6 英寸（152 mm）0.15 μm 柵長的GaAs PHEMT 加工Ka 波段功放，35 GHz 輸出功率可達6 W，增益大于23 dB,PAE 為26%，末級功率密度約675 mW/mm（每毫米柵長的器件輸出功率值）[17]。2010 年報道了輸出功率密度超過1 W 的Ka 波段GaAs PHEMT[18]。GaAs PHEMT 提供的器件種類也具有多樣性，例如E/D 型PHEMT 工藝，集成了E 型器件和D 型器件，可以制作復雜的T/R 一體化微波前端多功能MMIC（MFC）[19]。GaAs PHEMT 技術因工藝成熟度和低噪聲的優勢，長期在傳統的MMIC 領域占據主導地位，并將隨著射頻微系統的小型化發展而持續進步。

隨著能帶工程的繼續發展，InGaAs 溝道和GaAs襯底在晶格上不匹配的問題，可通過超晶格方法生長緩變的緩沖層來解決，這種HEMT 稱為變構HEMT，即MHEMT，而GaAs、Si 和Ge 均可作為MHEMT 的襯底。GaAs 基的MHEMT 與InP HEMT 相比，具有成本低、晶格質量高、機械強度好和襯底尺寸較大等特點，其工作頻率已進入亞毫米波。2011 年報道的20 nm柵長的MHEMT，其fT達到660 GHz，是HEMT 器件的最高值[2]。MHEMT 能工作到H 波段，成為研究亞毫米波應用的重要器件。

GaAs 半導體的制造流程與Si 相似，市場上的主要廠商多為國際IDM 廠商。中國臺灣地區的穩懋半導體是世界上GaAs 領域最大的代工廠，代工市場占有率超過60%。全球GaAs 半導體市場份額最大是Qorvo，次之是Skyworks。GaAs HBT 和PHEMT 器件是MMIC 領域最主要的器件，也是目前MMIC 器件中最成熟、性能最優的（在GaN 器件工藝成熟之前）。在移動設備和國防應用中，GaAs 材料的器件是主流，是MMIC 中的典型代表。

2.4 InP

InP 的器件工藝技術源于GaAs，但是與GaAs 相比，InP 的襯底材料擊穿電場、熱導率、電子飽和速度都要高，因此InP 器件具有明顯的高頻優勢。然而InP的不足在于材料較脆弱，晶圓技術目前不如GaAs 成熟。

InP 的技術發展晚于GaAs。第一只InP HEMT 由AKSUN 等報道于1986 年，被制作在InP 襯底上，其中異質結的InGaAs 溝道的In 含量為53%。經過改進，InP 短柵長HEMT 于1988 年問世，它表現出在毫米波頻段具有卓越的噪聲性能[20]。近些年，InP HEMT 器件研究取得重大進展。2017 年CHA 等[21]研制出0.1 μm InP 低噪聲HEMT，其gm可達1500 mS/mm，而GaAs低噪聲PHEMT 的gm約為600 mS/mm。在超高頻InP HEMT 器件研制上，MEI 等的研究具有代表性。2015年他們報道了柵長25 nm 的InP HEMT 在1 THz 處增益為3.5 dB，fMAX達到1.5 THz，這是近期報道最短柵長的HEMT 器件，具有里程碑的意義[22]。目前，InP PHEMT 器件技術仍然在持續發展，主要用于毫米波低噪聲放大器和毫米波高效率高功率功率放大器。與此同時，增強性InP HEMT 器件也在研究中，已有相關的成果報道[20]。增強性InP HEMT 器件結合耗盡性InP HEMT 器件，將來可能被用于制作超高速的數字邏輯電路。

2015 年MEI 等[23]制作了一款TMIC 放大器，該放大器在1 THz 處增益為9 dB，是目前工作頻率最高的放大器。2017 年LEONG 等[24]采用25 nm 的InP HEMT 技術，研制出工作于850 GHz 的太赫茲收發組件，其中一款低噪聲放大器在790～820 GHz 頻帶內增益大于10 dB。可見，InP HEMT 技術在太赫茲單片電路領域具有比較大的高頻優勢，在太赫茲研究中是一種重要的器件。

21 世紀初，國際上開始采用GaAsSb 材料替代InGaAs 制作 InP/GaAsSb/InP DHBT。 2011 年URTEAGA 等[25]提出130 nm 的InP DHBT，是目前報道的最小的特征尺寸，該器件的截止頻率超過520GHz，最大振蕩頻率超過1.1 THz。

InP DHBT 在毫米波PA 和太赫茲PA 應用中表現出優異的性能，已獲得各方肯定。GRIFFITH 等[26]研制了2 款毫米波功率放大器，PA1 工作于71～95 GHz,PA2 工作于96～120 GHz。PA1 帶內具有20 dB 增益，輸出功率為105～138 mW，PAE 為21%～36%；在81 GHz處，輸出功率為135 mW,PAE 為36%。隨著基區電流的降低，在輸出功率為129.6 mW 時，PAE 達到40%。PA2 在102.5 GHz 處輸出功率超過98.1 mW，效率高達21%。由此可見，InP DHBT 在毫米波單片集成電路PA 應用中具有高頻高效率的顯著特點。

InP DHBT 還廣泛用于超高速集成電路，例如超高速的DAC 等。近年來，隨著集成InP DHBT 器件的異構集成技術取得突破性進展，InP DHBT 在未來將會成為射頻微系統高頻高速高效率器件中不可或缺的一部分。

2.5 GaN

GaN HEMT 誕生自1993 年，經過了近20 年的發展，已經在射頻功率放大器方面得到初步應用[27]。GaN材料是第三代半導體的代表，從能帶角度來看的話，最為典型的特點是寬禁帶。美國國防部先進研究項目局（DARPA）為了推動GaN 研究的進步，相繼制定了針對性計劃，主要包括寬禁帶半導體技術創新計劃（WBGSTI）和電子下一代技術計劃（NEXT）。在GaN研究與應用中，美國走在前列。2011 年美國TriQuint公司（現在Qorvo 的一部分）宣布其GaN 產線達到工業9 級水平，并經過美國國防部驗證，可完全量產化。美國其他公司（雷聲公司、諾格公司等）、歐洲和日本相關公司緊隨其后，逐步實現量產化[28]。我國的相關科研機構經過多年的研究和不斷的投入，也逐步實現工程化應用。

趙正平先生對GaN HEMT 器件和MMIC 的研究進展做了完備的綜述，提到了GaN HEMT 近些年的發展突破了一系列關鍵技術，例如高質量4H-SiC 單晶晶圓的生長難題，外延層的結構設計和生長，柵極和雙場版的器件制造工藝，GaN HEMT 有源器件，MIM電容，薄膜電阻以及晶圓背孔等組成的GaN MMIC 工藝，GaN HEMT 小信號和大信號模型的提取與建模，抑制電流崩塌、柵漏電流等失效激勵與提升可靠性等[27]。研究人員分別對Si、SiGe、GaAs、InP 和GaN 等MMIC 工藝的功率特性和工作頻率進行了分析。結果表明GaN HEMT 在高輸出功率、高工作效率、高工作頻率等方面具有較明顯的優勢[29]。在功率密度方面，GaN HEMT 比Si、SiGe、GaAs、InP 等微波器件至少高出5 倍。在相同輸出功率和工作頻率（Ka 波段）下，GaN HEMT PA MMIC 尺寸相對GaAs PHEMT PA MMIC 尺寸可以縮小82%[30]。

目前GaN HEMT 國內外都有相應的MMIC 研究成果出現。住友電氣設備創新公司的KIKUCHI 等[31]于2014 年報道了輸出功率達到310 W 的X 波段GaN HEMT 功率器件模塊，南京電子器件研究所陶洪琪[32]于2016 年報道了X 波段60 W 的PA MMIC。BROWN 等[33]于2016 年報道了8192 個1 W 功率合成的W 波段GaN PA MMIC，W 波段功率發射機的輸出功率超過7 kW。南京電子器件研究所吳少兵等[34]于2016 年報道了W 波段1 W 輸出功率的GaN PA MMIC。從相關成果的報道時間順序來看，中國的GaN HEMT PA 研究相對國外有一定的落后。

GaN HEMT 器件在毫米波和太赫茲應用中同樣具有很大的優勢。2016 年WIENECKE 等[35]報道的N極深凹SiN 介質柵HEMT 器件，最大頻率可達276 GHz，在8 V 電源電壓支持下，峰值功率可達1.73 W/mm。在10 V 電源電壓下，峰值功率可達2.9 W/mm。NIIDA 等[36]于2016 年研制出W 波段HEMT 器件，該器件工作在20 V 電源電壓下，能獲得的功率密度為3.6 W/mm（86 GHz），這是目前已報道的W 波段GaN HEMT 最高的輸出功率密度。由此可見，GaN HEMT 在毫米波頻段可以用于大功率器件的研制。

隨著5G 的推進和國防裝備的升級，GaN HEMT和PA MMIC 作為主要射頻功率器件將會進入高需求時期，這將會大大推進GaN 的技術進步和產業化，前景非常光明。

3 射頻異質異構集成技術的發展趨勢

當前微系統技術路線分為以Northrop Grumman、Teledyne 公司為代表的三維異構集成和以Raytheon、HRL 為主導的晶體管級異質集成。三維異構集成的代表是目前的“芯粒”產品實用化技術，并在成本、速度、成熟度等方面具有較明顯的優勢，但隨著微系統沿三維堆疊方向的集成規模攀升，因中道互連引線所產生的延遲效應已成為限制微系統性能提升的重要因素之一。

DARPA 于2012 年推出了“硅基化合物半導體”項目(簡稱COSMOS 項目)。COSMOS 項目擬開發一種靈活的、高成品率的晶體管異質集成技術，實現化合物半導體器件與標準Si CMOS 器件的異質集成。COSMOS 計劃的3 家參研單位Northrop Grumman、Raytheon 以及HRL 已經完成了第一階段的研制任務，實現了化合物半導體器件與Si CMOS 的異質集成。目前COSMOS 計劃已進入第二期階段，進行DA 等電路的集成，Raytheon 在InP/CMOS 單片異質集成研究方面，已掌握Si/InP 選區生長、InP HBT/CMOS 兼容工藝以及毫米波芯片集成整套關鍵技術，研制出國際上首款InP 與Si CMOS 異質集成的量化降速芯片，頻率達到13 GHz，降速比為1:16，功耗小于1.2 W，與單一InP HBT 工藝相比，工作頻率維持不變，降速比提高1倍，功耗降低36%。在異質集成方面，國內尚未有相關單位的研究報道，主要采用“金絲鍵合”或者“凸點焊”以實現芯片級異質集成。

近年來，GaN 器件與MMIC 在高功率、高效率、小型化方面的應用得到長足的進步，這為GaN 在新體制雷達通信系統的多功能、集成化應用創造了有利的條件。為此，研究者正在加大對襯底材料改進、器件和工藝等關鍵要素的創新性研究，以加速MMIC 器件的射頻微系統向著異構集成或異質集成的方向發展。

3.1 GaN 器件的散熱結構研究

采用GaN 材料的MMIC 能工作在較高的電壓下，其功率密度也得到相應的提升，而隨著器件技術的進步和功率密度的提升，器件的散熱問題越來越成為GaN PA 的發展瓶頸。若襯底熱阻較高，HEMT 溝道溫度將會升高到一個危險的溫度，進而導致器件特性下降，甚至燒毀器件。主流GaN MMIC 采用SiC 材料作為襯底也正是因為SiC 材料具有較高的熱導率。目前，一種基于金剛石作為襯底的GaN 器件研究逐漸成為熱點。金剛石硬度高、耐高溫、抗腐蝕和輻射，熱導率達到2200 W/(m·K)。它的熱導率比碳化硅（SiC）高4 倍、比硅高13 倍、比砷化鎵高43 倍，比金屬銅和銀還要高4 倍。以目前SiC 襯底GaN 功率密度和器件工作結溫推算，采用金剛石襯底的GaN PA 密度將接近40 W/mm，能將現有的功率系統體積大幅度縮小3/4。2013 年美國Group4 的研究人員對金剛石襯底的GaN HEMT 器件的可靠性進行了實驗，實驗表明金剛石襯底的GaN HEMT 器件在200 ℃溝道溫度下工作了超過17 萬小時，器件的電流變化小于10%。可見，金剛石襯底的GaN HEMT 器件的可靠性也是一大優勢[37]。

2012 年HIRAMA 等[38]對以SiC 材料為襯底的HEMT 結構與以金剛石為襯底的HEMT 結構的溫度進行了測量。在柵寬630 μm、輸出功率2 W 的條件下，器件溫度最高處分別為36 ℃與46 ℃，與室溫相比分別上升了13 ℃和23 ℃，充分體現了金剛石作為GaN 器件襯底的散熱優勢。歐盟于2008 年啟動MORGaN 項目（2008—2011），率先將高熱導率金剛石引入了GaN 基HEMT 器件和電路的研制中，研究單晶金剛石襯底、納米金剛石表面覆膜等技術對GaN 基HEMT 器件性能的影響。研究結果表明，在器件研制過程中引入納米金剛石表面覆膜，可以將襯底對器件的影響顯著降低，提高器件的散熱能力[37]。

在金剛石襯底的GaN HEMT 器件研究中，GaN材料和金剛石的晶格失配、接觸界面受損、材料結合處界面態等技術難題是阻礙金剛石襯底發揮理想特性的關鍵難題。2017 年12 月，日本富士通公司實驗室（Fujitsu Laboratories Ltd.）發布了金剛石襯底的GaN HEMT 器件研究成果，在工藝中將普通SiC 基GaN HEMT 器件的襯底削薄，然后在室溫下將前者鍵合在金剛石基片上面。該成果的重要意義在于實現了室溫條件下SiC 薄襯底與金剛石單晶材料的鍵合，提升了接觸界面的熱導率，GaN HEMT 器件熱阻得以降低60%以上[39]。若金剛石襯底大規模生產得到解決，GaN HEMT MMIC 功率密度可至少提升2 倍。在可預見的將來，隨著GaN HEMT 器件金剛石襯底與GaN 材料的晶格匹配技術不斷優化，GaN HEMT 功率密度將實現數倍的提升。而采用金剛石襯底的GaN HEMT 功率器件的射頻微系統體積將大大降低，微波空間距離得到數倍增長。

近年來，具有高功率密度的GaN 半導體技術因其在5G 通信應用中有望帶來射頻前端的小型化、成本競爭力的潛在優勢而受到越來越多的關注，線性度指標是當前重點突破的關鍵參數。DARPA 于2017 年提出的OIP3/Pdc，將現有的約10 dB 的技術水平提高至1000 dB。復旦大學作為第三代半導體產業技術創新戰略聯盟CASA 的GaN 微波射頻技術路線圖(2020 年)的主要持筆單位之一，重點明確了GaN 射頻器件的線性化技術路徑[40]。目前，研究人員主要通過采用主從雙溝道材料體系、FinFET 新結構器件降低柵源間的Racess電阻，避免載流子過早出現速度飽和，從而造成跨導下降[41-44]。

3.2 GaN 新型器件和工藝

基于GaN 材料研制的新型器件已取得一系列成果，但目前尚未成熟，有待繼續研究和完善。HRL Laboratories 的MICOVIC 等[41]于2017 年報道了GaN材料的雙異質結場效應晶體管（DHFET）。該種器件柵寬為40 nm，尺寸為4 μm×50 μm，DHFET 在V 波段（57～64 GHz）輸出功率高達376 mW，附加效率為48%，漏極效率（DE）為57%，在59 GHz 時具有超過8 dB 的功率增益。LUO 等[46]于2017 年報道了基于E/D GaN HEMT 工藝制作的一款X 波段可承受高功率的5 位數控移相器。該移相器采用E-HEMT 器件制作邏輯控制電路，D-HEMT 器件制作移相器的微波開關。

LEBLANC 等[47]于2016 年報道采用GaN/Si 工藝制作了工作于Ka 波段、6 W 的PA 和工作于X 波段、1.2 dB 噪聲系數的LNA。該工藝采用高阻P 型Si 為襯底，在上面制作GaN HEMT 器件和其他無源元器件結合而成。該器件截止頻率高達105 GHz，在30 GHz時最大穩定增益高達14.5 dB，在40 GHz 的最小噪聲系數為1.8 dB，相應的增益約為7.5 dB，連續波工作時輸出功率密度高達3.3 W/mm，峰值功率高達5.7 W/mm，擊穿電壓高于40 V。

EBLABLA 等[48]于2015 年報道了基于150 mm 低阻硅（σ＜10 Ω·cm）襯底制作的高性能GaN HEMT 器件。該器件采用0.3 μm 的柵長，其截止頻率為55 GHz，振蕩頻率為121 GHz，直流跨導達到400 mS/mm。

CHIU 等[49]于2016 年研制了一種硅基GaN ABM（Air-Bridged Matrix）HEMT 器件，采用的復雜材料和結構有效地抑制了自熱效應。

GaN 新型器件的發展趨勢清晰表明，GaN 器件將朝著更高功率密度、更低成本和更好的散熱效果方面發展。

3.3 射頻微系統

異構集成和異質集成是將多種不同材料的器件集成在一起，是豐富甚至重構出不同于現有單一材料MMIC 器件與工藝的新技術路線。DARPA 為了滿足未來的需求和促進工藝技術的進步，提出了“地平線”計劃，目標是微系統“效能增加100 倍、體積功耗降低為1/100”。DARPA 支持的相關計劃有可重構毫米波陣列計劃（SMART）、三維電磁射頻系統計劃（3D MERFS）、材料與硅的異質集成（HIMS）、垂直互聯傳感器陣列（VISA）、硅基化合物半導體材料（COSMOS）、多樣可用異質集成（DAHI）項目計劃等。在基于MMIC 的異構異質集成方面，主要有3 種主流方案：微納米尺度組裝工藝，外延層印刷工藝，單片外延生長工藝[50]。目前，諾斯羅普-格魯曼公司、HRL 實驗室和雷聲公司代表了微系統集成的不同技術路線。

諾斯羅普-格魯曼公司的異構集成方案主要利用3 種不同材料器件的優勢，然后通過微納米尺度的組裝工藝將其集成在一起[51]。HRL 實驗室的典型代表是外延層印刷異質集成技術方案[52]，它可以實現晶圓級集成，主要集成方式是將多種不同材料的晶圓通過堆疊的方式集成。雷聲公司代表了單外延層生長工藝方案[52]，它是在同一襯底上制作不同的器件。目前諾斯羅普-格魯曼公司的方案最為成熟，已經提供可供實際應用的工程方案，其他兩類方案尚存在成品率的問題，有待改善。諾斯羅普-格魯曼公司報道的一種采用異構集成技術的射頻微系統已出現，該SOC 集成了Si CMOS、GaN HEMT 和InP HBT 3 種不同的器件，實現了計劃的研究目的[51]。

4 總結

MMIC 的Si、SiGe、GaAs、InP 工藝和SiC 襯底的GaN HEMT 工藝仍將在未來一段時間內占有自己的位置，發揮自己的應用優勢，同時在器件技術的推動下，都向著毫米波和太赫茲應用領域發展。第三代半導體GaN 材料、器件與MMIC 是研究熱點，器件創新向多樣化器件結構發展，器件工作特性呈現出更高的功率密度、低失真技術路線。基于MMIC 器件工藝的異構集成技術或異質集成技術將朝著實用化的方向持續改進和完善。