毫米波半导体元器件技术研究发展

毫米波( 26. 5 ~ 300 GHz) 技术正逐渐走入人们的生活｡在下一代无线通信应用方面，60 GHz 毫米波在中国 华 为､美 国 Verizon 和 T - Mobile､日 本NTT 和 KDDI 等公司，都成为其 5G 系统开发的核心技术之一｡在航空安检方面，美国各大机场使用的 Provision 毫米波( 94 GHz) 成像安检门，已成为机场安检应用的唯一先进成像技术｡2016 年，德国ACCESS( 先进 E 波段卫星链路研究) 项目组在 71 ~76 GHz( E 波段) 以 6 Gbit /s 的速率实现了 37 公里传输，刷新了陆地无线传输能力的记录｡美国联邦通信委员会( FCC) 在 2018 年的最后一天，批准了谷歌的手势操作感应系统 “Soli 项目”，所申请的毫米波雷达使用频段为 57 ~ 64 GHz｡上述毫米波技术应用中，毫米波半导体元器件是系统实现其应用的核心部件｡

毫米波半导体元器件用于毫米波信号产生､放大以及变化，主要采用 Si ( 硅) ､GaAs( 砷化镓) ､InP( 磷化铟) ､SiC( 碳化硅) ､GaN( 氮化镓) ､SiGe( 锗硅) 等半导体材料制造｡该种元器件体积小､质量轻､价格较低､可靠性较高，已成为现行毫米波元器件技术主流｡本文将对毫米波二端口器件､三端口器件技术的研究和发展进行介绍，以期为我国的毫米波元器件技术自主发展提供良好的研究和发展思路｡

1 毫米波二端口器件

毫米波二端口器件主要包括肖特基势垒二极管( SBD，Schottky Barrier Diode ) ､ 雪 崩 二 极 管( IMPATT Diode) 和耿氏二极管 ( Gunn Diode) 等｡主要用于毫米波信号的产生和放大､混频､检波以及变容等功能｡所用的半导体材料除了传统的 Si外，主要包括 GaAs､InP､SiC､SiGe 等多元化半导体化合物｡

1. 1 肖特基势垒二极管

SBD 又称为金属-半导体二极管，是一种低功耗､大电流､超高速半导体器件｡用某些金属和半导体相接触，在它们的交界面处便会形成一个势垒区( “表面势垒”或 “肖特基势垒”) ，利用势垒的非线性电容或电导，能够产生整流､混频､检波作用，是高频和快速开关的理想器件｡图 1 所示为美国 UMS 公司提供的肖特基势垒二极管的物理结构，肖特基结是由金属( 如铂或钛) 在一个适当的半导体( 如 n 型掺杂的 GaAs) 表面沉积而成[1] ｡

图 1 SBD 的物理结构( UMS 公司)

2014 年，Dahlberg 等[2] 基于 SBD，研制了一款183 GHz 的混频器｡同年，Bryllert[3] 基于 3 μm 厚膜上制备的 SBD，研制了一款用于成像系统的高度集成的 220 GHz 收发雷达前端，图 2 所示为该收发雷达阵列｡

虽然 SBD 技术早在 20 世纪 70 年代就已开始应用于毫米波频率，但直到现在，经过材料､结构和工艺方面的改进，仍在现代的毫米波器件，如检波器､混频器､开关，甚至全集成的收发前端器件中被广泛使用｡2018 年，Viegas 等[4] 公布了一款基于SBD 的单片集成 180 GHz 倍频器，在输出峰值功率109 mW 时，转换效率达到了 34%｡

图 2 基于 SBD 的 220 GHz 雷达收发阵列[3]Fig. 2 220 GHz radar transceiver array based on SBD[3]

1. 2 雪崩二极管

雪崩二极管是利用半导体内的雪崩( 载流子的碰撞电离) 现象和渡越时间效应来获得动态负阻，从而产生微波､毫米波振荡的器件｡毫米波频率的雪崩二极管主要用来作为毫米波功率器件，是目前毫米波器件中，获得功率最大､效率最高的半导体器件，主要缺点是噪声比较大，制造材料主要包括Si､GaAs､InP 等｡

图 3 所示为 Kasper 等[5] 在 2008 年介绍的一款基于雪崩二极管的共面 W 波段振荡器，与探针相连的共面波导开路段与短路段之间，通过雪崩二极管联接｡该振荡器在 88. 74 GHz 频率获得了 7. 2 dBm的输出功率｡Kar[6] 于 2012 年采用雪崩二极管设计了一款同轴波导振荡器，在 34. 25 GHz 获得了 20%的带宽､1 W 输出功率的良好性能｡Zhu 等[7] 于2015 年基于雪崩二极管，设计了一款 110 GHz 功率合成器，获得了良好的相位噪声和输出功率参数｡为雪崩二极管在毫米波高频率的应用提供了良好的技术支持｡总体来说，在 40 GHz 以下，GaAs 基雪崩二极管比 Si 基雪崩二极管具有更高的振荡频率和效率，而在 40 GHz 以上，通常采用 Si 基雪崩二极管获得良好的性能｡Zhang 等[8] 于 2019 年公布了一款采用 Si 基 IMPATT 技术的 82 GHz､14. 8 mW 输出功率的单片振荡器｡

图 3 雪崩二极管 W 波段振荡器[5]

1. 3 耿氏二极管

耿氏二极管利用半导体材料内部多数载流子的运动特性产生微波､毫米波振荡，又称为体效应二极管｡与上述雪崩二极管相比，具有较低的工作电压和较低的调制噪声，尽管其输出功率不如雪崩二极管，但其良好的噪声特性和频谱纯度高的特点，特别适合于毫米波系统的本机振荡源､信号源以及功率源等｡1984 年，邓衍茂与孙忠良等联合研制的“毫米波体效应二极管及振荡器系列”，获得国家科技进步一等奖，该项成果一直在当前国内的各项毫米波系统中得到重要应用｡

图 4 所示为 Kumar 等[9] 于 2008 年基于 InP 基耿氏二极管研制的一款 140 GHz 振荡器，输出功率7 dBm，一般用作毫米波辐射计及成像系统的本机振荡器｡上述耿氏二极管的主要材料采用 GaAs 和InP，GaAs 基耿氏二极管更适用于 100 GHz 以下的毫米波频率更高的频率则需要 InP 基耿氏二极管器件｡

图 4 140 GHz 耿氏二极管振荡器[9]

2 毫米波三端口器件

毫米波三端口器件主要包括金属半导体场效应管( MESFET) ､高电子迁移率晶体管( HEMT) 和异质结双极晶体管( HBT) 等｡

2. 1 HEMT

HEMT 又称之为二维电子气( 2DEG) 场效应晶体管或调制掺杂场效应晶体管，比 MESFET 有更好的频率特性､更高的效率､更低的噪声｡常用的半导体衬底材料包括 GaAs､InP 和 GaN 等｡

一种典型的 InP 基 HEMT 器件基本结构如图 5所示，器件包含源 ( source) ､漏 ( drain) 和 栅 ( T -gate) 三个电极，基本外延层结构按从下往上生长的顺序包括: 衬底( Substrate，InP) ､缓冲层( Buffer，InAlAs) ､ 沟 道 层 ( Channel，InGaAs ) ､ 空 间 层( Spacer，InAlAs ) ､ 势 垒 层 ( Schottky Barrier，InAlAs) ､帽层( Cap，n - InGaAs) ｡根据异质结原理，在宽禁带材料和窄禁带材料界面处将形成2DEG，使得载流子迁移率增大，也减小了器件噪声｡

2. 1. 1 GaAs 基HEMT

2013年，Schlechtweg 等[10]为下一代传感器与通信系统，设计了一组 300 GHz 的雷达芯片，该芯片组 基 于 InGaAs mHEMT 技 术，包 括 12 倍 频 器( 100 GHz) ､100 GHz 中功率放大器､100 GHz 高功率放大器､3 倍频器( 300 GHz ) ､300 GHz 中功率放大器以及谐波混频器､低噪声放大器等｡图 6所示为该雷达芯片组及其组成的雷达前端框图｡Lv等[11] 于 2018 年公布了一款基于 0. 1 μm GaAs 技术的 Ka 与 Q 双波段的单片功率放大器芯片，功率转换效率在两个频段分别达到了 38%和 40%｡

图 6 300 GHz 雷达芯片组及其雷达前端框图[10]

2. 1. 2 InP 基 HEMT

2015 年，Leong 等[12] 基于 InP 基 HEMT 技术，研制了一款 340 GHz 的 18 倍频器，将其用于大气探测系统，如图 7 所示｡Cha 等[13] 于 2017 年基于100 nm InP 基 HEMT 技术，进行了超低噪声的 Ka和 Q 波段放大器的研究｡可以预见，随着 InP 基HEMT 技术的不断发展，噪声系数更低､频率更高､集成度更高的毫米波器件将不断出现｡

图 7 340 GHz 频率的 18 倍频器[12]

2. 1. 3 GaN 基 HEMT

2007 年美国国防高级研究计划局( DARPA) 的宽禁带半导体计划 “WBGS”中，提出从材料､器件到集成电路三阶段在毫米波段对 GaN 基 HEMT进行攻关，2009 年，美国 DARPA 又启动了面向更高频率器件的 NEXT 项目，在 4~5 年内将器件的频率提高到 500 GHz｡2011 年，王东方等[14] 在国家自然科学基金重大项目 “氮化镓基毫米波器件和材料基础与关键问题研究”资助下，研制了一款 Ka 波段 AlGaN /GaN HEMT，满足 Ka 波段的应用｡2013年，任春江等[15] 采用该 0. 15 μm GaN HEMT 技术进行了 Ka 波段 GaN 功率放大器的研制，所研制的功率放大器在 29 GHz 频点处饱和功率达到了 10. 64W｡2015 年，Xu 等[16] 基 于 0. 1 μm InAlN /GaNHEMT 技术，进行了 E 波段功率放大器的研制，在86 GHz 获得了 1. 43 W 的输出功率，功率转换效率达到 12. 7%｡2018 年，C' wikliński 等[17] 进行了 W全波段单片功率放大器的研究，在功率转换效率上取得了极佳的成果｡

2. 2 HBT

HBT 在当前发展势头迅猛，根据衬底材料，分为三种: GaAs HBT､InP HBT 以及 SiGe HBT｡图8 所示为典型的 GaAs 基 HBT 结构示意图，其欧姆接触可归结为合金系与 GaAs 的欧姆接触｡HBT 具有功率密度和增益高､相位噪声低､线性度好､单电源工作､芯片面积小和价格性能比低等特点，已经逐步发展为毫米波半导体元器件领域中一个非常有竞争力的技术｡下面分别从 GaAs HBT､InP HBT以及 SiGe HBT 进行其技术与发展研究｡

图 8 典型的 GaAs 基 HBT 结构示意图

2. 2. 1 GaAs HBT

GaAs HBT 具有良好的绝缘性能和更高的电流增益，在目前毫米波 HBT 器件中的研究和应用最为广泛｡2013 年，Chen 等[18] 发表了一款基于 GaAsHBT 和 HEMT 混合结构的 Ka 波段四倍频器，通过两级级联的倍频器结构，实现了较低的插入损耗，如图 9 所示｡2015 年，Yan 等[19] 基于 1 μm GaAsHBT 技术设计了一款 Ka 波段的 VCO，在片测试结果表明在 1 MHz 载频偏离时的相位噪声为-96. 47dBc /Hz，调谐频率范围 28. 312~28. 695 GHz｡

图 9 GaAs 基 HBT Ka 波段四倍频器[18]

2. 2. 2 InP HBT

InP 相对于同类型半导体材料的 GaAs，具有更高的击穿电场､饱和电子迁移速率､热导率等，同时 InP 具有非常高的载流子迁移率特性，使得 InPHBT 在毫米波高频､功率等方面显示出强大优势，在毫米波成像､通信､雷达领域有着重要的应用｡此外，InP HBT 具有高截止频率､低白噪声等优点，使得其非常适合 W 波段甚至更高频段单片集成功率放大器和振荡器的研制｡2014 年，Radisic 等[20] 报道了两款基于 250 nm InP HBT 技术的 220 GHz 功率放大器｡2015 年 Grififith 等[21] 同样基于 250 nmInP HBT 技术，研发了一款工作频率 290 ~ 307. 5GHz，带宽近 18 GHz，输出功率 6 ~ 10 mW，增益10 ~ 12 dB 的功率放大器，如图 10 所示｡可以预见，基于 InP HBT 技术的毫米波功率放大器在工作频率和输出功率方面将日益向上拓展｡

图 10 300 GHz InP HEMT 功率放大器

2. 2. 3 SiGe HBT

SiG HBT 功率密度高，相位噪声低，线性度好，低温特性优良，特别适合于毫米波频率的低相位噪声振荡器､高效率功率放大器的应用｡2014年，Datta 等[22] 基于 SiGe HBT 技术，研发了一款 Q波段( 30 ~ 50 GHz) 的功率放大器，在 41 GHz 测得了 23. 4 dBm 的输出功率 34. 9%的峰值功率转换效率，特别适用于 W 级功率输出的毫米波数字发射机｡SiGe HBT 的另一个优点是能够与先进的 Si 工艺兼容，与 CMOS 组合，建立 SiGe BiCMOS 工艺平台，开发高速､高集成度的毫米波电路与器件｡2016 年 Sarmah 等[23] 基于 0. 13 μm SiGe BiCMOS 技术设计了一款全集成的 240 GHz 发射和接收前端，如图 11 所示，单片的 240 GHz 发射前端包括功率放大器､上变频混频器等，接收前端包括低噪声放大器和下变频混频器等，适用于当前正迅猛发展的短距离毫米波无线通信系统｡

图 11 SiGe BiCMOS 全集成 240 GHz 发射与接收前端[23]

3 结束语 

本文对近十年来国内外毫米波半导体器件的技术及其发展做了简要的介绍与分析，各种器件的主要工作特性和主要用途归纳于表 1｡

表 1 毫米波半导体器件主要工作特性与用途

从本文的介绍及表 1 的归纳可以知道，各毫米波半导体器件因自身材料､结构特性而展现出的工作特性差异，决定了其不同的功能与用途｡可以预见，随着半导体材料与结构特性的进一步研究和深化，毫米波半导体器件所展现出来的频率特性､功率特性等，都将有较大的变化和突破｡

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