毫米波半導體元器件技術研究發展

摘要

：毫米波技術已經在各種重要技術領域獲得矚目的應用，毫米波半導體元器件成為毫米波系統應用中必不可少的核心部件。在毫米波二埠器件方面，介紹了肖特基勢壘二極體、雪崩二極體以及耿氏二極體的技術及其發展，在毫米波三埠器件方面，介紹了高電子遷移率電晶體和異質結雙極電晶體的技術及其發展，為國內發展自主的毫米波半導體元器件技術，提供必要的參考依據和研究思路。

關鍵詞

：毫米波；半導體元器件；綜述；二埠器件；三埠器件

毫米波（ 26。 5 ~ 300 GHz）技術正逐漸走入人們的生活｡在下一代無線通訊應用方面，60 GHz 毫米波在中國華為､美國 Verizon 和 T - Mobile､日本NTT 和 KDDI 等公司，都成為其 5G 系統開發的核心技術之一｡在航空安檢方面，美國各大機場使用的 Provision 毫米波（ 94 GHz）成像安檢門，已成為機場安檢應用的唯一先進成像技術｡2016 年，德國ACCESS（先進 E 波段衛星鏈路研究）專案組在 71 ~76 GHz（ E 波段）以 6 Gbit /s 的速率實現了 37 公里傳輸，重新整理了陸地無線傳輸能力的記錄｡美國聯邦通訊委員會（ FCC）在 2018 年的最後一天，批准了谷歌的手勢操作感應系統 “Soli 專案”，所申請的毫米波雷達使用頻段為 57 ~ 64 GHz｡上述毫米波技術應用中，毫米波半導體元器件是系統實現其應用的核心部件｡

毫米波半導體元器件用於毫米波訊號產生､放大以及變化，主要採用 Si （矽）､GaAs（砷化鎵）､InP（磷化銦）､SiC（碳化矽）､GaN（氮化鎵）､SiGe（鍺矽）等半導體材料製造｡

該種元器件體積小､質量輕､價格較低､可靠性較高，已成為現行毫米波元器件技術主流｡本文將對毫米波二埠器件､三埠器件技術的研究和發展進行介紹，以期為我國的毫米波元器件技術自主發展提供良好的研究和發展思路｡

1 毫米波二埠器件

毫米波二埠器件主要包括肖特基勢壘二極體（ SBD，Schottky Barrier Diode ）､雪崩二極管（ IMPATT Diode）和耿氏二極體（ Gunn Diode）等｡

主要用於毫米波訊號的產生和放大､混頻､檢波以及變容等功能｡所用的半導體材料除了傳統的 Si外，主要包括 GaAs､InP､SiC､SiGe 等多元化半導體化合物｡

1. 1 肖特基勢壘二極體

SBD 又稱為金屬-半導體二極體，是一種低功耗､大電流､超高速半導體器件｡用某些金屬和半導體相接觸，在它們的交介面處便會形成一個勢壘區（ “表面勢壘”或 “肖特基勢壘”），利用勢壘的非線性電容或電導，能夠產生整流､混頻､檢波作用，是高頻和快速開關的理想器件｡圖 1 所示為美國 UMS 公司提供的肖特基勢壘二極體的物理結構，肖特基結是由金屬（如鉑或鈦）在一個適當的半導體（如 n 型摻雜的 GaAs）表面沉積而成［1］｡

圖 1 SBD 的物理結構（ UMS 公司）

2014 年，Dahlberg 等［2］基於 SBD，研製了一款183 GHz 的混頻器｡同年，Bryllert［3］基於 3 μm 厚膜上製備的 SBD，研製了一款用於成像系統的高度整合的 220 GHz 收發雷達前端，圖 2 所示為該收發雷達陣列｡

雖然 SBD 技術早在 20 世紀 70 年代就已開始應用於毫米波頻率，但直到現在，經過材料､結構和工藝方面的改進，仍在現代的毫米波器件，如檢波器､混頻器､開關，甚至全整合的收發前端器件中被廣泛使用｡2018 年，Viegas 等［4］公佈了一款基於SBD 的單片整合 180 GHz 倍頻器，在輸出峰值功率109 mW 時，轉換效率達到了 34%｡

圖 2 基於 SBD 的 220 GHz 雷達收發陣列［3］Fig。 2 220 GHz radar transceiver array based on SBD［3］

1. 2 雪崩二極體

雪崩二極體是利用半導體內的雪崩（載流子的碰撞電離）現象和渡越時間效應來獲得動態負阻，從而產生微波､毫米波振盪的器件｡

毫米波頻率的雪崩二極體主要用來作為毫米波功率器件，是目前毫米波器件中，獲得功率最大､效率最高的半導體器件，主要缺點是噪聲比較大，製造材料主要包括Si､GaAs､InP 等｡

圖 3 所示為 Kasper 等［5］在 2008 年介紹的一款基於雪崩二極體的共面 W 波段振盪器，與探針相連的共面波導開路段與短路段之間，透過雪崩二極體聯接｡該振盪器在 88。 74 GHz 頻率獲得了 7。 2 dBm的輸出功率｡Kar［6］於 2012 年採用雪崩二極體設計了一款同軸波導振盪器，在 34。 25 GHz 獲得了 20%的頻寬､1 W 輸出功率的良好效能｡Zhu 等［7］於2015 年基於雪崩二極體，設計了一款 110 GHz 功率合成器，獲得了良好的相位噪聲和輸出功率引數｡為雪崩二極體在毫米波高頻率的應用提供了良好的技術支援｡總體來說，在 40 GHz 以下，GaAs 基雪崩二極體比 Si 基雪崩二極體具有更高的振盪頻率和效率，而在 40 GHz 以上，通常採用 Si 基雪崩二極體獲得良好的效能｡Zhang 等［8］於 2019 年公佈了一款採用 Si 基 IMPATT 技術的 82 GHz､14。 8 mW 輸出功率的單片振盪器｡

圖 3 雪崩二極體 W 波段振盪器［5］

1. 3 耿氏二極體

耿氏二極體利用半導體材料內部多數載流子的運動特性產生微波､毫米波振盪，又稱為體效應二極體｡

與上述雪崩二極體相比，具有較低的工作電壓和較低的調製噪聲，儘管其輸出功率不如雪崩二極體，但其良好的噪聲特性和頻譜純度高的特點，特別適合於毫米波系統的本機振盪源､訊號源以及功率源等｡1984 年，鄧衍茂與孫忠良等聯合研製的“毫米波體效應二極體及振盪器系列”，獲得國家科技進步一等獎，該項成果一直在當前國內的各項毫米波系統中得到重要應用｡

圖 4 所示為 Kumar 等［9］於 2008 年基於 InP 基耿氏二極體研製的一款 140 GHz 振盪器，輸出功率7 dBm，一般用作毫米波輻射計及成像系統的本機振盪器｡上述耿氏二極體的主要材料採用 GaAs 和InP，GaAs 基耿氏二極體更適用於 100 GHz 以下的毫米波頻率更高的頻率則需要 InP 基耿氏二極體器件｡

圖 4 140 GHz 耿氏二極體振盪器［9］

2 毫米波三埠器件

毫米波三埠器件主要包括金屬半導體場效電晶體（ MESFET）､高電子遷移率電晶體（ HEMT）和異質結雙極電晶體（ HBT）等｡

2. 1 HEMT

HEMT 又稱之為二維電子氣（ 2DEG）場效應電晶體或調製摻雜場效應電晶體，比 MESFET 有更好的頻率特性､更高的效率､更低的噪聲｡常用的半導體襯底材料包括 GaAs､InP 和 GaN 等｡

一種典型的 InP 基 HEMT 器件基本結構如圖 5所示，器件包含源（ source）､漏（ drain）和柵（ T -gate）三個電極，基本外延層結構按從下往上生長的順序包括：襯底（ Substrate，InP）､緩衝層（ Buffer，InAlAs）､溝道層（ Channel，InGaAs ）､空間層（ Spacer，InAlAs ）､勢壘層（ Schottky Barrier，InAlAs）､帽層（ Cap，n - InGaAs）｡根據異質結原理，在寬禁帶材料和窄禁帶材料介面處將形成2DEG，使得載流子遷移率增大，也減小了器件噪聲｡

圖5典型InP基HEMT基本結構圖

2. 1. 1 GaAs 基HEMT

2013年，Schlechtweg 等［10］為下一代感測器與通訊系統，設計了一組 300 GHz 的雷達晶片，該晶片組基於 InGaAs mHEMT 技術，包括 12 倍頻器（ 100 GHz）､100 GHz 中功率放大器､100 GHz 高功率放大器､3 倍頻器（ 300 GHz ）､300 GHz 中功率放大器以及諧波混頻器､低噪聲放大器等｡圖 6所示為該雷達晶片組及其組成的雷達前端框圖｡Lv等［11］於 2018 年公佈了一款基於 0。 1 μm GaAs 技術的 Ka 與 Q 雙波段的單片功率放大器晶片，功率轉換效率在兩個頻段分別達到了 38%和 40%｡

圖 6 300 GHz 雷達晶片組及其雷達前端框圖［10］

2. 1. 2 InP 基 HEMT

2015 年，Leong 等［12］基於 InP 基 HEMT 技術，研製了一款 340 GHz 的 18 倍頻器，將其用於大氣探測系統，如圖 7 所示｡Cha 等［13］於 2017 年基於100 nm InP 基 HEMT 技術，進行了超低噪聲的 Ka和 Q 波段放大器的研究｡可以預見，隨著 InP 基HEMT 技術的不斷髮展，噪聲係數更低､頻率更高､整合度更高的毫米波器件將不斷出現｡

圖 7 340 GHz 頻率的 18 倍頻器［12］

2. 1. 3 GaN 基 HEMT

2007 年美國國防高階研究計劃局（ DARPA）的寬禁帶半導體計劃 “WBGS”中，提出從材料､器件到積體電路三階段在毫米波段對 GaN 基 HEMT進行攻關，2009 年，美國 DARPA 又啟動了面向更高頻率器件的 NEXT 專案，在 4~5 年內將器件的頻率提高到 500 GHz｡2011 年，王東方等［14］在國家自然科學基金重大專案 “氮化鎵基毫米波器件和材料基礎與關鍵問題研究”資助下，研製了一款 Ka 波段 AlGaN /GaN HEMT，滿足 Ka 波段的應用｡2013年，任春江等［15］採用該 0。 15 μm GaN HEMT 技術進行了 Ka 波段 GaN 功率放大器的研製，所研製的功率放大器在 29 GHz 頻點處飽和功率達到了 10。 64W｡2015 年，Xu 等［16］基於 0。 1 μm InAlN /GaNHEMT 技術，進行了 E 波段功率放大器的研製，在86 GHz 獲得了 1。 43 W 的輸出功率，功率轉換效率達到 12。 7%｡2018 年，C‘ wikliński 等［17］進行了 W全波段單片功率放大器的研究，在功率轉換效率上取得了極佳的成果｡

2. 2 HBT

HBT 在當前發展勢頭迅猛，根據襯底材料，分為三種： GaAs HBT､InP HBT 以及 SiGe HBT｡

圖8 所示為典型的 GaAs 基 HBT 結構示意圖，其歐姆接觸可歸結為合金系與 GaAs 的歐姆接觸｡HBT 具有功率密度和增益高､相位噪聲低､線性度好､單電源工作､芯片面積小和價格效能比低等特點，已經逐步發展為毫米波半導體元器件領域中一個非常有競爭力的技術｡下面分別從 GaAs HBT､InP HBT以及 SiGe HBT 進行其技術與發展研究｡

圖 8 典型的 GaAs 基 HBT 結構示意圖

2. 2. 1 GaAs HBT

GaAs HBT 具有良好的絕緣效能和更高的電流增益，在目前毫米波 HBT 器件中的研究和應用最為廣泛｡2013 年，Chen 等［18］發表了一款基於 GaAsHBT 和 HEMT 混合結構的 Ka 波段四倍頻器，透過兩級級聯的倍頻器結構，實現了較低的插入損耗，如圖 9 所示｡2015 年，Yan 等［19］基於 1 μm GaAsHBT 技術設計了一款 Ka 波段的 VCO，在片測試結果表明在 1 MHz 載頻偏離時的相位噪聲為-96。 47dBc /Hz，調諧頻率範圍 28。 312~28。 695 GHz｡

圖 9 GaAs 基 HBT Ka 波段四倍頻器［18］

2. 2. 2 InP HBT

InP 相對於同類型半導體材料的 GaAs，具有更高的擊穿電場､飽和電子遷移速率､熱導率等，同時 InP 具有非常高的載流子遷移率特性，使得 InPHBT 在毫米波高頻､功率等方面顯示出強大優勢，在毫米波成像､通訊､雷達領域有著重要的應用｡此外，InP HBT 具有高截止頻率､低白噪聲等優點，使得其非常適合 W 波段甚至更高頻段單片整合功率放大器和振盪器的研製｡2014 年，Radisic 等［20］報道了兩款基於 250 nm InP HBT 技術的 220 GHz 功率放大器｡2015 年 Grififith 等［21］同樣基於 250 nmInP HBT 技術，研發了一款工作頻率 290 ~ 307。 5GHz，頻寬近 18 GHz，輸出功率 6 ~ 10 mW，增益10 ~ 12 dB 的功率放大器，如圖 10 所示｡可以預見，基於 InP HBT 技術的毫米波功率放大器在工作頻率和輸出功率方面將日益向上拓展｡

圖 10 300 GHz InP HEMT 功率放大器

2. 2. 3 SiGe HBT

SiG HBT 功率密度高，相位噪聲低，線性度好，低溫特性優良，特別適合於毫米波頻率的低相位噪聲振盪器､高效率功率放大器的應用｡2014年，Datta 等［22］基於 SiGe HBT 技術，研發了一款 Q波段（ 30 ~ 50 GHz）的功率放大器，在 41 GHz 測得了 23。 4 dBm 的輸出功率 34。 9%的峰值功率轉換效率，特別適用於 W 級功率輸出的毫米波數字發射機｡SiGe HBT 的另一個優點是能夠與先進的 Si 工藝相容，與 CMOS 組合，建立 SiGe BiCMOS 工藝平臺，開發高速､高整合度的毫米波電路與器件｡2016 年 Sarmah 等［23］基於 0。 13 μm SiGe BiCMOS 技術設計了一款全整合的 240 GHz 發射和接收前端，如圖 11 所示，單片的 240 GHz 發射前端包括功率放大器､上變頻混頻器等，接收前端包括低噪聲放大器和下變頻混頻器等，適用於當前正迅猛發展的短距離毫米波無線通訊系統｡