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GaAs工艺
MMIC发展背景及趋势
李 芹
MMIC简介
单片微波集成电路,是在半绝缘半导体衬底上用一
系列的半导体工艺方法制备出无源和有源元器件,
并连接起来构成应用于微波(甚至毫米波)频段的功
能电路,具有尺寸小、重量轻、性能高、可靠性强
等一系列优点。
单片微波集成电路包括:低噪声放大器(LNA),功率
放大器,混频器,上变频器,检波器,调制器,压控振荡
器(VCO),移相器,开关,MMIC收发前端,甚至整个发
射/接收(T/R)组件(收发系统).
MMIC简介
根据制作材料和内部电路结构的不同,
MMIC可以分成两大类:一类是基于硅晶体
管的MMIC,另一类是基于砷化镓场效应管
(GaAs FET )的MMIC
GaAs FET的MMIC具工作频率高、频率范围
宽、动态范围大、噪声低的特点,但价格较
贵
硅晶体管的MMIC性能优越、使用方便,而
且价格低廉,因而应用非常广泛.
MMIC简介
MMIC开始主要应用于军用系统,如相控阵雷达、火箭
与导弹的制导和电子对抗等系统。MMIC 的采用,显著
减少了设备的体积和重量,降低价,提高了性能,取得
了很好的效果,例如在海湾战争中,美军灵巧武器中就
已泛地采用了MMIC与MIMIC 。
90年代以来,MMIC在商用产品中开拓了广阔的市场。
这主要是商用无线通信市场,它包括:语音、数据,图
文与图像的各种通信,例如,蜂窝式个人通信,低轨道
卫星移动通信,无线局域网,环球定位卫星系统,卫星
直播电视和多点多址分布系统等。
另一个重要的市场则是智能交通系统,它包括:车上移
动通信,环球卫星位,道路交通状况的监测,汽车防撞
毫米波雷达等。
MMIC技术中的常用工艺与器件
微波、毫米波半导体器件通常分为二端器件和三端
器件两大类。国外二端器件(除少数毫米波
IMPATT外)在20世纪70年代中期至80年代初就已
相当成熟,各种检波管、混频管、变容管、PIN管、
噪声管、耿氏管和崩越管等都早已陆续商品化和系
列化
三端器件,近年来获得很大的发展,首先是GaAs
MESFET 的输出功率增长极快,在微波各领域得到
了日益广泛的应用
MMIC技术中的常用工艺与器件
由于分子束外延(MBE )、金属有机汽相淀积(MOCVD )
等高质量超薄层生长技术以及亚微米微细加工技术的发展
与进步,使1980年问世的高电子迁移率晶体管(HEMT )
在结构上获得了不断创新,其频率、功率和低噪声性能大
大提高,成为微波和毫米波器件的重要成员之一
GaAlAs/GaAs外延生长技术的成熟,使1957年就提出的
GaAs异质结双极晶体管(HBT )得以实现,且其性能不断
提高。HBT在较高微波频率下具有Si双极晶体管在微波低
端相似的性能,特别适合微波、毫米波功率应用
GaAs器件的优点
2
在GaAs中,传导电子迁移率(~6500cm /V·s) 比
2
Si中(~1200cm /V·s)大5倍,电子峰值漂移速度
6 6
(2 ×10 ~8 ×10 cm/s) 比Si中大1倍,所在寄生
电阻较小,跨导较大,电子在高场内渡越时间
较短。因此GaAs器件可获得比Si更高的工作频
率和放大增益,从而可能将双端口固态器件向
毫米波扩散
GaAs器件的优点
Si、Ge材料本征电阻率不高,而GaAs有源层可
7
生长在自身电阻率大于10 Ω·cm的半绝缘衬底
上,高电阻率衬底可把器件的有源区(例如
GaAs MESFET中的导电沟道)隔离开,因而在
微波单片集成电路中,无需采用诸如反偏置结这
样的隔
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