周德金，黃 偉，寧仁霞

(1.復(fù)旦大學(xué)微電子學(xué)院，上海 200443；2.清華大學(xué)無(wú)錫應(yīng)用技術(shù)研究院，江蘇無(wú)錫 214072；3.桂林電子科技大學(xué)廣西精密導(dǎo)航技術(shù)與應(yīng)用重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西桂林 541004；4.黃山學(xué)院信息工程學(xué)院智能微系統(tǒng)安徽省工程技術(shù)研究中心，安徽黃山 245021)

1 引言

二戰(zhàn)以來(lái)，隨著雷達(dá)、無(wú)線(xiàn)通信以及無(wú)線(xiàn)電導(dǎo)航技術(shù)需求的不斷增長(zhǎng)，發(fā)達(dá)國(guó)家越來(lái)越重視戰(zhàn)略地位高的微波理論與技術(shù)并投入大量的人力和物力，一批科學(xué)家和工程技術(shù)人員也開(kāi)展了一系列卓有成效的工作，將微波領(lǐng)域由波導(dǎo)立體電路為主推進(jìn)到現(xiàn)在以單片微波集成電路（MMIC）為主，并不斷探索新的微波技術(shù)。

20 世紀(jì)60 年代，平面混合集成電路逐步發(fā)展起來(lái)，屬于微波混合集成電路（HMIC）。到20 世紀(jì)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(fā)展。射頻電感和電容也得以采用半導(dǎo)體平面工藝加工而實(shí)現(xiàn)了片內(nèi)集成，微波電路從MIC 向體積小、壽命長(zhǎng)、可靠性高的MMIC 過(guò)渡，并逐漸成為微波技術(shù)半導(dǎo)體發(fā)展的主流趨勢(shì)[1]，硅基互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（Si CMOS）、鍺硅雙極-互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(SiGe BiCMOS)、砷化鎵異質(zhì)結(jié)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(zhì)結(jié)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(xiàn)出共同發(fā)展的局面，較好地滿(mǎn)足了微波設(shè)備系統(tǒng)的多樣化應(yīng)用需求。

進(jìn)入21 世紀(jì)，隨著人類(lèi)各方面需求的提高，射頻微系統(tǒng)的小型化、多功能化、功率密度進(jìn)一步提升，相繼誕生了氮化鎵高電子遷移率場(chǎng)效晶體管（GaN HEMT）技術(shù)、異構(gòu)集成技術(shù)和異質(zhì)集成技術(shù)，并正成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)。本文緊密結(jié)合軍用相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)、現(xiàn)代通信系統(tǒng)在波束賦形、多進(jìn)多出（MIMO）的共性應(yīng)用趨勢(shì)，對(duì)微波毫米波器件與電路、射頻微系統(tǒng)進(jìn)行了梳理與歸納。

2 MMIC 器件工藝及發(fā)展?fàn)顩r

MMIC 是在半導(dǎo)體襯底上用半導(dǎo)體平面工藝法制造出有源器件和無(wú)源元器件，用金屬微帶線(xiàn)連接起來(lái)構(gòu)成應(yīng)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(shù)有Si RF CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs HBT、GaAs PHEMT、InP HBT、InP PHEMT 等，GaN HEMT 技術(shù)處于快速發(fā)展階段?；赟i、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(yīng)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(chǎn)能。

2.1 Si

以Si 基金屬氧化物絕緣柵場(chǎng)效應(yīng)管為主的CMOS 技術(shù)，按摩爾定律發(fā)展，其特征尺寸在2011 年達(dá)到22 nm,隨后以FinFET 技術(shù)為主的新器件、新工藝持續(xù)發(fā)展，F(xiàn)inFET 量產(chǎn)特征尺寸在2017 年也達(dá)到了10 nm，并在朝著7 nm、5 nm、3 nm 邁進(jìn)。

RF CMOS 是基于標(biāo)準(zhǔn)CMOS 改進(jìn)的，適合射頻電路應(yīng)用的器件技術(shù)，最早研究于20 世紀(jì)90 年代中期。該技術(shù)的最大優(yōu)勢(shì)在于可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模集成，實(shí)現(xiàn)模擬與數(shù)字電路結(jié)合，最終實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)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(xiàn)所產(chǎn)生的寄生效應(yīng)給射頻電路設(shè)計(jì)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(dá)到450 GHz，完全可用于毫米波和太赫茲芯片設(shè)計(jì)[2]。此外，由于RF CMOS 具有與標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝兼容、低成本、高集成度、產(chǎn)能高等其他化合物所不具備的先天優(yōu)勢(shì)，目前成熟的應(yīng)用包括涉及無(wú)線(xiàn)通信芯片行業(yè)的GPS 接收機(jī)芯片、2.4 GHz 藍(lán)牙收發(fā)機(jī)SoC、GSM 手機(jī)收發(fā)SoC。RF CMOS 工藝的應(yīng)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(tǒng)集成SOC 以及數(shù)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(bào)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(bào)道了一款采用0.13 μm CMOS X 波段4 通道的相控陣發(fā)射機(jī)，每個(gè)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(gè)通道輸出功率超過(guò)135 dBm；2017 年（CICC）QIAN 等[5]報(bào)道了一款3～7 GHz 4 通道數(shù)字調(diào)制相控陣發(fā)射機(jī)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(dá)38%。

另一方面，曾側(cè)重于數(shù)字電路設(shè)計(jì)的FinFET 技術(shù)也正在被用于面向基帶應(yīng)用的模擬電路開(kāi)發(fā)，并能與數(shù)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(fā)布的驍龍系列SOC 等，都是基于FinFET。然而，因?yàn)镕inFET 的晶體管尺寸非常小，布線(xiàn)非常密集，晶體管的布局布線(xiàn)在射頻頻段會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的寄生效應(yīng)，射頻電路設(shè)計(jì)難度很大。即便如此，在技術(shù)與需求的推動(dòng)下，F(xiàn)inFET 工藝射頻電路還是取得了一定的成果。2017 年（ISSCC）PAOLO 等[6]報(bào)道了一款2.4 GHz 的數(shù)字極化發(fā)射機(jī)SOC，該發(fā)射機(jī)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(guò)19 dBm，PAE 超過(guò)32%，在輸出功率為12 dBm 時(shí)，EVM 小于-31 dBc。

全耗盡絕緣硅（FD-SOI）是另一種先進(jìn)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(zhǎng)一層超薄的單晶硅層后再研制平面晶體管結(jié)構(gòu)的技術(shù)。FD-SOI 技術(shù)集成了兩個(gè)創(chuàng)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(zhǎng)超薄的氧化絕緣層，故其仍能沿襲現(xiàn)有的CMOS 工藝制程，實(shí)現(xiàn)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，F(xiàn)D-SOI 更容易實(shí)現(xiàn)，加工成本更低。例如，相對(duì)統(tǒng)一特征尺寸的標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝，28 nm 的FD-SOI 較前者具有50%射頻性能提升的優(yōu)勢(shì)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(yīng)用，在物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，其相對(duì)于FinFET 工藝更具潛力。由于高溫下的高效存儲(chǔ)和功耗泄露管理，F(xiàn)D-SOI 能為汽車(chē)應(yīng)用帶來(lái)絕佳的可靠性。目前，F(xiàn)D-SOI 生態(tài)系統(tǒng)正在壯大，多家Foundry 宣布了量產(chǎn)計(jì)劃，EDA 公司正在積極研發(fā)IP，F(xiàn)abless 公司也正在嘗試應(yīng)用設(shè)計(jì)。例如，Global Foundaries 推出了面向下一代無(wú)線(xiàn)和物聯(lián)網(wǎng)芯片的射頻/模擬PDK（22FDX-rfa）解決方案，以及面向5G、汽車(chē)?yán)走_(dá)、WiGig、衛(wèi)星通信、無(wú)線(xiàn)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(tǒng)的Si 基晶體管技術(shù)為基礎(chǔ)，已實(shí)現(xiàn)了SiGe 異質(zhì)結(jié)晶體管以及集成電路的制造。SiGe 外延技術(shù)主要有3 種：分子束外延、超高真空化學(xué)氣相淀積、常壓化學(xué)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(jìn)行不斷完善，直到1989年，制作出理想異質(zhì)結(jié)特性的HBT[8-9]。隨后，IBM、Jazz、Phillip、TEMIC 以及Global Foundries 等公司持續(xù)對(duì)集成HBT 和CMOS 技術(shù)的BiCMOS 進(jìn)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(yè)化應(yīng)用的SiGe BiCMOS 5HP 工藝技術(shù)，目前更新到9HP 節(jié)點(diǎn)，器件截止頻率超過(guò)200 GHz。德國(guó)的IHP 和NXP 等公司也推出了各自的工藝技術(shù)。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(xué)院合作，SiGe HBT 在液氮-268 ℃條件下特征頻率(fT)達(dá)到500 GHz[8]。

SiGe HBT 擁有較好的線(xiàn)性度和更高的速度，以及更好的工作電壓范圍，因此兼顧C(jī)MOS 和HBT 兩者優(yōu)點(diǎn)的SiGe BiCOMS 是一個(gè)MMIC 芯片設(shè)計(jì)有競(jìng)爭(zhēng)力的工藝選項(xiàng)，在射微系統(tǒng)SOC 方面也具有較大優(yōu)勢(shì)，SiGe HBT 能廣泛用于放大器和混頻電路，而SiGe CMOS 能用于數(shù)字以及幅相控制電路。盡管在面對(duì)Si CMOS 競(jìng)爭(zhēng)時(shí)，它也存在工藝成熟度相對(duì)較低和產(chǎn)能不足、工藝復(fù)雜以及與數(shù)字Si CMOS 電路工藝不兼容等現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，但SiGe BiCOMS 相對(duì)于GaAs MMIC 來(lái)說(shuō)，在大批量應(yīng)用時(shí)（數(shù)量超過(guò)100000 只），晶圓尺寸（SiGe 目前晶圓達(dá)到203 mm，GaAs 晶圓最大為152 mm）和集成度均體現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。它目前最主要的研究熱點(diǎn)是用于相控陣T/R 組件的小信號(hào)電路，目標(biāo)是代替GaAs MMIC 在T/R 組件中的地位，實(shí)現(xiàn)T/R 組件低成本化。

目前基于SiGe BiCMOS 技術(shù)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(diǎn)。2014 年（MTT）KU 等[9]報(bào)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(gè)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(hào)。2016 年（MTT）ZIHIR 等[11]報(bào)道了一款工作于60 GHz 的相控陣發(fā)射SOC，該SOC 集成了16 個(gè)通道，每一個(gè)通道具備幅相控制功能，并集成了SPI、ESD、聯(lián)網(wǎng)等模塊功能，由16 個(gè)SOC 通過(guò)全網(wǎng)連接技術(shù)和芯片拼接技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了256 個(gè)通道的片上系統(tǒng)級(jí)集成，故這在多通道系統(tǒng)級(jí)集成技術(shù)應(yīng)用上具有里程碑意義。2017 年（ISSCC）HU 等[12]報(bào)道了一款多頻段多爾蒂結(jié)構(gòu)的5G通信線(xiàn)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(gè)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(duì)應(yīng)的峰值效率分別為20.3%、22.6%、21.4%，用于5G 通信時(shí)可實(shí)現(xiàn)3 Gbit/s（64-QAM）的數(shù)據(jù)傳輸。

從最近幾年報(bào)道的成果能看出，SiGe BiCMOS 越來(lái)越受到人們的關(guān)注。隨著信息產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，以及SiGe BiCMOS 技術(shù)的持續(xù)完善和推廣，SiGe BiCMOS 將在未來(lái)的RFIC 和MMIC 應(yīng)用領(lǐng)域中占據(jù)重要的地位。

2.3 GaAs

GaAs 材料相對(duì)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(dǎo)體材料。GaAs 直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，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(huán)境下工作。GaAs、InP 兩者組成的三元化合物半導(dǎo)體可以產(chǎn)生不同于GaAs 單一化合物材料的電學(xué)性能，這源于材料體系的能帶工程調(diào)控技術(shù)不斷進(jìn)步。20 世紀(jì)60 年代末提出的超晶格理論和20 世紀(jì)80 年代分子外延層技術(shù)的成熟，促進(jìn)了半導(dǎo)體材料微結(jié)構(gòu)的發(fā)展。Ⅲ-Ⅴ族化合物半導(dǎo)體的一大優(yōu)點(diǎn)是能夠采用晶格常數(shù)相近的不同半導(dǎo)體形成異質(zhì)結(jié)，將Si 半導(dǎo)體的“摻雜工程”轉(zhuǎn)變?yōu)椤澳軒Чこ獭?，由此誕生了一系列新型異質(zhì)結(jié)器件，例如異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管（HFET）、異質(zhì)結(jié)雙級(jí)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(dǎo)體薄層的量子效應(yīng)是近30年來(lái)半導(dǎo)體物理研究中取得的重大突破?？茖W(xué)家基于這兩大理論掌握了振蕩頻率為400 GHz、開(kāi)關(guān)速度為2 ps 的臺(tái)面Al-GaAs 諧振隧道器件（RTD）整套技術(shù)，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(chǎn)生量子阱的思路深入開(kāi)展包含二維量子化產(chǎn)生量子線(xiàn)、三維量子化產(chǎn)生量子點(diǎn)在內(nèi)的低維半導(dǎo)體體系研究。研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電子波封閉在一個(gè)量子線(xiàn)中時(shí)，會(huì)形成電子波導(dǎo)，而電子波導(dǎo)中電子的傳播與光在波導(dǎo)中的傳播類(lèi)似。在這些器件的激發(fā)下，一些新的器件構(gòu)想不斷誕生，并得到各國(guó)科技機(jī)構(gòu)的關(guān)注[13]。

最為典型的就是1983 年美國(guó)投資監(jiān)理GaAs 研究中心和GaAs 門(mén)陣列生產(chǎn)線(xiàn)。1986 年由美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局DARPA 主導(dǎo)，總投資約10 億美元的微波毫米波單片集成電路計(jì)劃大大推動(dòng)了GaAs 的研究和應(yīng)用。20 世紀(jì)90 年代，微波單片集成電路和數(shù)字砷化鎵門(mén)電路這兩個(gè)研究熱點(diǎn)方向都取得了不錯(cuò)的研究成果。例如，1991 年微波單片集成電路計(jì)劃第一階段研發(fā)出79 種MMIC 芯片，頻率覆蓋1～100 GHz。數(shù)字GaAs 芯片在1992 年進(jìn)行第一次演示驗(yàn)證，結(jié)果表明數(shù)字GaAs 芯片不僅可以滿(mǎn)足軍方需要，還能將系統(tǒng)的成本降低50%，系統(tǒng)重量和體積也能降低70%。軍方一致認(rèn)為，數(shù)字GaAs 器件表現(xiàn)出更強(qiáng)的抗干擾性能。美國(guó)和歐洲在這方面給予了重點(diǎn)支持[13]。

GaAs HBT 于 1984 年研制成功，采用AlGaAs/GaAs 異質(zhì)結(jié)替代Si 雙極器件中的p-n 結(jié)，取得了比Si BJT 更優(yōu)異的性能[13]。HBT 是一種改進(jìn)的雙極晶體管，其發(fā)射區(qū)和基區(qū)是由不同帶隙的半導(dǎo)體構(gòu)成，發(fā)射區(qū)具有寬帶隙材料，這種發(fā)射極結(jié)構(gòu)提供勢(shì)壘，阻擋空穴注入基區(qū)，而有利于電子的注入，電流從發(fā)射極到集電極垂直流過(guò)HBT，而不像MESFET 橫向流動(dòng)，縱向電流流動(dòng)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(fā)射極采用寬帶隙材料,HBT 基區(qū)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(qū)薄層方塊電阻僅200 Ω，比典型的Si BJT 低近一個(gè)數(shù)量級(jí)，有助于圖形的大尺寸設(shè)計(jì)。此外，GaAs 半絕緣襯底消除了對(duì)延遲時(shí)間常數(shù)和增益帶寬產(chǎn)生嚴(yán)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(fù)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(dá)到高的fT，在低電壓、小功率電路中體現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢(shì)。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(shè)計(jì)與應(yīng)用帶來(lái)較大的方便。

GaAs HBT 主要應(yīng)用在無(wú)線(xiàn)高頻通訊產(chǎn)品，主要體現(xiàn)形式是RF PA。傳統(tǒng)2G 手機(jī)中，一般是2 個(gè)功率放大器，一般只有一個(gè)頻段。3G 時(shí)代，一部手機(jī)平均使用4 顆PA。3.5G 時(shí)代平均使用6 顆PA。在4G 時(shí)代，基于調(diào)制方式的改進(jìn)，單部手機(jī)至少需要5 顆GaAs HBT PA。若還涉及WIFI、GPS 等應(yīng)用，則需要更多HBT PA。在5G 時(shí)代，數(shù)據(jù)傳輸速度將是4G LTE 的100 倍，只有高性能的GaAs HBT PA 才能滿(mǎn)足要求。4G 和5G 的推進(jìn)是GaAs HBT 應(yīng)用市場(chǎng)增長(zhǎng)的主要?jiǎng)幽躘15]。2013 年上半年高通推出CMOS 功率放大器解決方案，開(kāi)始打入低端智能手機(jī)供應(yīng)鏈，但是由于Si材料物理性能限制，無(wú)法應(yīng)用于高頻領(lǐng)域。因此，雖然Si 材料較GaAs 有成本優(yōu)勢(shì)，但高頻PA 在5G 通信時(shí)代應(yīng)用具有較高的技術(shù)門(mén)檻，市場(chǎng)并不會(huì)受到影響，GaAs 材料在手機(jī)功率放大器領(lǐng)域具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)[15]。

GaAs HEMT 器件生長(zhǎng)在半絕緣襯底上，是基于AlGaAs/GaAs 異質(zhì)結(jié)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(guò)程如下：首先采用MBE 等技術(shù)在純GaAs 上面連續(xù)生長(zhǎng)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(lái)采用臺(tái)面腐蝕工藝，隔離器件的有源區(qū)，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(guò)干法選擇腐蝕去除柵極區(qū)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(shì)壘。因此HEMT 器件的能帶結(jié)構(gòu)是在半絕緣襯底上形成兩個(gè)背靠背的勢(shì)壘，即柵電極與AlGaAs 層形成的肖特基勢(shì)壘以及AlGaAs與GaAs 形成的突變異質(zhì)結(jié)勢(shì)壘。當(dāng)器件柵偏壓處于平衡狀態(tài)時(shí)，異質(zhì)結(jié)界面處在受到導(dǎo)帶偏移的作用力影響下，已摻雜寬禁帶AlGaAs 半導(dǎo)體的電子會(huì)翻越導(dǎo)帶差進(jìn)入到窄禁帶為摻雜的GaAs 中，上述電子和相應(yīng)的施主雜質(zhì)在物理空間上是分離的，并在異質(zhì)結(jié)中形成一個(gè)由AlGaAs 層中的雜質(zhì)正離子指向GaAs層電子的內(nèi)建電場(chǎng)，且在窄禁帶GaAs 層一側(cè)會(huì)形成一個(gè)近似三角形的勢(shì)阱。流向GaAs 一側(cè)的電子被限制在三角形勢(shì)阱中（二維電子勢(shì)阱），被約束在平行于異質(zhì)結(jié)界面的兩維自由度方向，因此被稱(chēng)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(dá)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(zhì)結(jié)三角形勢(shì)阱的深度和寬度，自然能改變溝道內(nèi)二維電子的面密度，進(jìn)而控制器件的工作電流。PHEMT 器件是HEMT 器件的改進(jìn)結(jié)構(gòu)，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(zhì)結(jié)導(dǎo)帶不連續(xù)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(zhì)量，其電子遷移率高達(dá)15000cm2/(V·s)，器件的高頻特性更優(yōu)[16]。

GaAs PHMET 器件的工作頻率、工作電壓與特征尺寸有關(guān)，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(jù)特性和應(yīng)用，能制作面向特定應(yīng)用的功能器件，例如開(kāi)關(guān)器件、功率器件和低噪聲器件。目前主流的商用工藝線(xiàn)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(kāi)關(guān)（SPDT）、數(shù)控移相器（PS）、數(shù)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(bào)道利用6 英寸（152 mm）0.15 μm 柵長(zhǎng)的GaAs PHEMT 加工Ka 波段功放，35 GHz 輸出功率可達(dá)6 W，增益大于23 dB,PAE 為26%，末級(jí)功率密度約675 mW/mm（每毫米柵長(zhǎng)的器件輸出功率值）[17]。2010 年報(bào)道了輸出功率密度超過(guò)1 W 的Ka 波段GaAs PHEMT[18]。GaAs PHEMT 提供的器件種類(lèi)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(fù)雜的T/R 一體化微波前端多功能MMIC（MFC）[19]。GaAs PHEMT 技術(shù)因工藝成熟度和低噪聲的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)期在傳統(tǒng)的MMIC 領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，并將隨著射頻微系統(tǒng)的小型化發(fā)展而持續(xù)進(jìn)步。

隨著能帶工程的繼續(xù)發(fā)展，InGaAs 溝道和GaAs襯底在晶格上不匹配的問(wèn)題，可通過(guò)超晶格方法生長(zhǎng)緩變的緩沖層來(lái)解決，這種HEMT 稱(chēng)為變構(gòu)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(zhì)量高、機(jī)械強(qiáng)度好和襯底尺寸較大等特點(diǎn)，其工作頻率已進(jìn)入亞毫米波。2011 年報(bào)道的20 nm柵長(zhǎng)的MHEMT，其fT達(dá)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(yīng)用的重要器件。

GaAs 半導(dǎo)體的制造流程與Si 相似，市場(chǎng)上的主要廠(chǎng)商多為國(guó)際IDM 廠(chǎng)商。中國(guó)臺(tái)灣地區(qū)的穩(wěn)懋半導(dǎo)體是世界上GaAs 領(lǐng)域最大的代工廠(chǎng)，代工市場(chǎng)占有率超過(guò)60%。全球GaAs 半導(dǎo)體市場(chǎng)份額最大是Qorvo，次之是Skyworks。GaAs HBT 和PHEMT 器件是MMIC 領(lǐng)域最主要的器件，也是目前MMIC 器件中最成熟、性能最優(yōu)的（在GaN 器件工藝成熟之前）。在移動(dòng)設(shè)備和國(guó)防應(yīng)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(shù)源于GaAs，但是與GaAs 相比，InP 的襯底材料擊穿電場(chǎng)、熱導(dǎo)率、電子飽和速度都要高，因此InP 器件具有明顯的高頻優(yōu)勢(shì)。然而InP的不足在于材料較脆弱，晶圓技術(shù)目前不如GaAs 成熟。

InP 的技術(shù)發(fā)展晚于GaAs。第一只InP HEMT 由AKSUN 等報(bào)道于1986 年，被制作在InP 襯底上，其中異質(zhì)結(jié)的InGaAs 溝道的In 含量為53%。經(jīng)過(guò)改進(jìn)，InP 短?hào)砰L(zhǎng)HEMT 于1988 年問(wèn)世，它表現(xiàn)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(jìn)展。2017 年CHA 等[21]研制出0.1 μm InP 低噪聲HEMT，其gm可達(dá)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(bào)道了柵長(zhǎng)25 nm 的InP HEMT 在1 THz 處增益為3.5 dB，fMAX達(dá)到1.5 THz，這是近期報(bào)道最短?hào)砰L(zhǎng)的HEMT 器件，具有里程碑的意義[22]。目前，InP PHEMT 器件技術(shù)仍然在持續(xù)發(fā)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(shí)，增強(qiáng)性InP HEMT 器件也在研究中，已有相關(guān)的成果報(bào)道[20]。增強(qiáng)性InP HEMT 器件結(jié)合耗盡性InP HEMT 器件，將來(lái)可能被用于制作超高速的數(shù)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(shù)，研制出工作于850 GHz 的太赫茲收發(fā)組件，其中一款低噪聲放大器在790～820 GHz 頻帶內(nèi)增益大于10 dB?？梢?jiàn)，InP HEMT 技術(shù)在太赫茲單片電路領(lǐng)域具有比較大的高頻優(yōu)勢(shì)，在太赫茲研究中是一種重要的器件。

21 世紀(jì)初，國(guó)際上開(kāi)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(bào)道的最小的特征尺寸，該器件的截止頻率超過(guò)520GHz，最大振蕩頻率超過(guò)1.1 THz。

InP DHBT 在毫米波PA 和太赫茲PA 應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)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(nèi)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(qū)電流的降低，在輸出功率為129.6 mW 時(shí)，PAE 達(dá)到40%。PA2 在102.5 GHz 處輸出功率超過(guò)98.1 mW，效率高達(dá)21%。由此可見(jiàn)，InP DHBT 在毫米波單片集成電路PA 應(yīng)用中具有高頻高效率的顯著特點(diǎn)。

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(lái)，隨著集成InP DHBT 器件的異構(gòu)集成技術(shù)取得突破性進(jìn)展，InP DHBT 在未來(lái)將會(huì)成為射頻微系統(tǒng)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(jīng)過(guò)了近20 年的發(fā)展，已經(jīng)在射頻功率放大器方面得到初步應(yīng)用[27]。GaN材料是第三代半導(dǎo)體的代表，從能帶角度來(lái)看的話(huà)，最為典型的特點(diǎn)是寬禁帶。美國(guó)國(guó)防部先進(jìn)研究項(xiàng)目局（DARPA）為了推動(dòng)GaN 研究的進(jìn)步，相繼制定了針對(duì)性計(jì)劃，主要包括寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)創(chuàng)新計(jì)劃（WBGSTI）和電子下一代技術(shù)計(jì)劃（NEXT）。在GaN研究與應(yīng)用中，美國(guó)走在前列。2011 年美國(guó)TriQuint公司（現(xiàn)在Qorvo 的一部分）宣布其GaN 產(chǎn)線(xiàn)達(dá)到工業(yè)9 級(jí)水平，并經(jīng)過(guò)美國(guó)國(guó)防部驗(yàn)證，可完全量產(chǎn)化。美國(guó)其他公司（雷聲公司、諾格公司等）、歐洲和日本相關(guān)公司緊隨其后，逐步實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)化[28]。我國(guó)的相關(guān)科研機(jī)構(gòu)經(jīng)過(guò)多年的研究和不斷的投入，也逐步實(shí)現(xiàn)工程化應(yīng)用。

趙正平先生對(duì)GaN HEMT 器件和MMIC 的研究進(jìn)展做了完備的綜述，提到了GaN HEMT 近些年的發(fā)展突破了一系列關(guān)鍵技術(shù)，例如高質(zhì)量4H-SiC 單晶晶圓的生長(zhǎng)難題，外延層的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和生長(zhǎng)，柵極和雙場(chǎng)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(hào)和大信號(hào)模型的提取與建模，抑制電流崩塌、柵漏電流等失效激勵(lì)與提升可靠性等[27]。研究人員分別對(duì)Si、SiGe、GaAs、InP 和GaN 等MMIC 工藝的功率特性和工作頻率進(jìn)行了分析。結(jié)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(yōu)勢(shì)[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(duì)GaAs PHEMT PA MMIC 尺寸可以縮小82%[30]。

目前GaN HEMT 國(guó)內(nèi)外都有相應(yīng)的MMIC 研究成果出現(xiàn)。住友電氣設(shè)備創(chuàng)新公司的KIKUCHI 等[31]于2014 年報(bào)道了輸出功率達(dá)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(bào)道了X 波段60 W 的PA MMIC。BROWN 等[33]于2016 年報(bào)道了8192 個(gè)1 W 功率合成的W 波段GaN PA MMIC，W 波段功率發(fā)射機(jī)的輸出功率超過(guò)7 kW。南京電子器件研究所吳少兵等[34]于2016 年報(bào)道了W 波段1 W 輸出功率的GaN PA MMIC。從相關(guān)成果的報(bào)道時(shí)間順序來(lái)看，中國(guó)的GaN HEMT PA 研究相對(duì)國(guó)外有一定的落后。

GaN HEMT 器件在毫米波和太赫茲應(yīng)用中同樣具有很大的優(yōu)勢(shì)。2016 年WIENECKE 等[35]報(bào)道的N極深凹SiN 介質(zhì)柵HEMT 器件，最大頻率可達(dá)276 GHz，在8 V 電源電壓支持下，峰值功率可達(dá)1.73 W/mm。在10 V 電源電壓下，峰值功率可達(dá)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(bào)道的W 波段GaN HEMT 最高的輸出功率密度。由此可見(jiàn)，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(jìn)和國(guó)防裝備的升級(jí)，GaN HEMT和PA MMIC 作為主要射頻功率器件將會(huì)進(jìn)入高需求時(shí)期，這將會(huì)大大推進(jìn)GaN 的技術(shù)進(jìn)步和產(chǎn)業(yè)化，前景非常光明。

3 射頻異質(zhì)異構(gòu)集成技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

當(dāng)前微系統(tǒng)技術(shù)路線(xiàn)分為以Northrop Grumman、Teledyne 公司為代表的三維異構(gòu)集成和以Raytheon、HRL 為主導(dǎo)的晶體管級(jí)異質(zhì)集成。三維異構(gòu)集成的代表是目前的“芯?！碑a(chǎn)品實(shí)用化技術(shù)，并在成本、速度、成熟度等方面具有較明顯的優(yōu)勢(shì)，但隨著微系統(tǒng)沿三維堆疊方向的集成規(guī)模攀升，因中道互連引線(xiàn)所產(chǎn)生的延遲效應(yīng)已成為限制微系統(tǒng)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(dǎo)體”項(xiàng)目(簡(jiǎn)稱(chēng)COSMOS 項(xiàng)目)。COSMOS 項(xiàng)目擬開(kāi)發(fā)一種靈活的、高成品率的晶體管異質(zhì)集成技術(shù)，實(shí)現(xiàn)化合物半導(dǎo)體器件與標(biāo)準(zhǔn)Si CMOS 器件的異質(zhì)集成。COSMOS 計(jì)劃的3 家參研單位Northrop Grumman、Raytheon 以及HRL 已經(jīng)完成了第一階段的研制任務(wù)，實(shí)現(xiàn)了化合物半導(dǎo)體器件與Si CMOS 的異質(zhì)集成。目前COSMOS 計(jì)劃已進(jìn)入第二期階段，進(jìn)行DA 等電路的集成，Raytheon 在InP/CMOS 單片異質(zhì)集成研究方面，已掌握Si/InP 選區(qū)生長(zhǎng)、InP HBT/CMOS 兼容工藝以及毫米波芯片集成整套關(guān)鍵技術(shù)，研制出國(guó)際上首款I(lǐng)nP 與Si CMOS 異質(zhì)集成的量化降速芯片，頻率達(dá)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(zhì)集成方面，國(guó)內(nèi)尚未有相關(guān)單位的研究報(bào)道，主要采用“金絲鍵合”或者“凸點(diǎn)焊”以實(shí)現(xiàn)芯片級(jí)異質(zhì)集成。

近年來(lái)，GaN 器件與MMIC 在高功率、高效率、小型化方面的應(yīng)用得到長(zhǎng)足的進(jìn)步，這為GaN 在新體制雷達(dá)通信系統(tǒng)的多功能、集成化應(yīng)用創(chuàng)造了有利的條件。為此，研究者正在加大對(duì)襯底材料改進(jìn)、器件和工藝等關(guān)鍵要素的創(chuàng)新性研究，以加速M(fèi)MIC 器件的射頻微系統(tǒng)向著異構(gòu)集成或異質(zhì)集成的方向發(fā)展。

3.1 GaN 器件的散熱結(jié)構(gòu)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(yīng)的提升，而隨著器件技術(shù)的進(jìn)步和功率密度的提升，器件的散熱問(wèn)題越來(lái)越成為GaN PA 的發(fā)展瓶頸。若襯底熱阻較高，HEMT 溝道溫度將會(huì)升高到一個(gè)危險(xiǎn)的溫度，進(jìn)而導(dǎo)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?yàn)镾iC 材料具有較高的熱導(dǎo)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(diǎn)。金剛石硬度高、耐高溫、抗腐蝕和輻射，熱導(dǎo)率達(dá)到2200 W/(m·K)。它的熱導(dǎo)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(jié)溫推算，采用金剛石襯底的GaN PA 密度將接近40 W/mm，能將現(xiàn)有的功率系統(tǒng)體積大幅度縮小3/4。2013 年美國(guó)Group4 的研究人員對(duì)金剛石襯底的GaN HEMT 器件的可靠性進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)表明金剛石襯底的GaN HEMT 器件在200 ℃溝道溫度下工作了超過(guò)17 萬(wàn)小時(shí)，器件的電流變化小于10%?？梢?jiàn)，金剛石襯底的GaN HEMT 器件的可靠性也是一大優(yōu)勢(shì)[37]。

2012 年HIRAMA 等[38]對(duì)以SiC 材料為襯底的HEMT 結(jié)構(gòu)與以金剛石為襯底的HEMT 結(jié)構(gòu)的溫度進(jìn)行了測(cè)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(xiàn)了金剛石作為GaN 器件襯底的散熱優(yōu)勢(shì)。歐盟于2008 年啟動(dòng)MORGaN 項(xiàng)目（2008—2011），率先將高熱導(dǎo)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(shù)對(duì)GaN 基HEMT 器件性能的影響。研究結(jié)果表明，在器件研制過(guò)程中引入納米金剛石表面覆膜，可以將襯底對(duì)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(jié)合處界面態(tài)等技術(shù)難題是阻礙金剛石襯底發(fā)揮理想特性的關(guān)鍵難題。2017 年12 月，日本富士通公司實(shí)驗(yàn)室（Fujitsu Laboratories Ltd.）發(fā)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(shí)現(xiàn)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(dǎo)率，GaN HEMT 器件熱阻得以降低60%以上[39]。若金剛石襯底大規(guī)模生產(chǎn)得到解決，GaN HEMT MMIC 功率密度可至少提升2 倍。在可預(yù)見(jiàn)的將來(lái)，隨著GaN HEMT 器件金剛石襯底與GaN 材料的晶格匹配技術(shù)不斷優(yōu)化，GaN HEMT 功率密度將實(shí)現(xiàn)數(shù)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(tǒng)體積將大大降低，微波空間距離得到數(shù)倍增長(zhǎng)。

近年來(lái)，具有高功率密度的GaN 半導(dǎo)體技術(shù)因其在5G 通信應(yīng)用中有望帶來(lái)射頻前端的小型化、成本競(jìng)爭(zhēng)力的潛在優(yōu)勢(shì)而受到越來(lái)越多的關(guān)注，線(xiàn)性度指標(biāo)是當(dāng)前重點(diǎn)突破的關(guān)鍵參數(shù)。DARPA 于2017 年提出的OIP3/Pdc，將現(xiàn)有的約10 dB 的技術(shù)水平提高至1000 dB。復(fù)旦大學(xué)作為第三代半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)技術(shù)創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟CASA 的GaN 微波射頻技術(shù)路線(xiàn)圖(2020 年)的主要持筆單位之一，重點(diǎn)明確了GaN 射頻器件的線(xiàn)性化技術(shù)路徑[40]。目前，研究人員主要通過(guò)采用主從雙溝道材料體系、FinFET 新結(jié)構(gòu)器件降低柵源間的Racess電阻，避免載流子過(guò)早出現(xiàn)速度飽和，從而造成跨導(dǎo)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(xù)研究和完善。HRL Laboratories 的MICOVIC 等[41]于2017 年報(bào)道了GaN材料的雙異質(zhì)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)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(dá)376 mW，附加效率為48%，漏極效率（DE）為57%，在59 GHz 時(shí)具有超過(guò)8 dB 的功率增益。LUO 等[46]于2017 年報(bào)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(shù)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(kāi)關(guān)。

LEBLANC 等[47]于2016 年報(bào)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(shù)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(wú)源元器件結(jié)合而成。該器件截止頻率高達(dá)105 GHz，在30 GHz時(shí)最大穩(wěn)定增益高達(dá)14.5 dB，在40 GHz 的最小噪聲系數(shù)為1.8 dB，相應(yīng)的增益約為7.5 dB，連續(xù)波工作時(shí)輸出功率密度高達(dá)3.3 W/mm，峰值功率高達(dá)5.7 W/mm，擊穿電壓高于40 V。

EBLABLA 等[48]于2015 年報(bào)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(zhǎng)，其截止頻率為55 GHz，振蕩頻率為121 GHz，直流跨導(dǎo)達(dá)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(fù)雜材料和結(jié)構(gòu)有效地抑制了自熱效應(yīng)。

GaN 新型器件的發(fā)展趨勢(shì)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(fā)展。

3.3 射頻微系統(tǒng)

異構(gòu)集成和異質(zhì)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(gòu)出不同于現(xiàn)有單一材料MMIC 器件與工藝的新技術(shù)路線(xiàn)。DARPA 為了滿(mǎn)足未來(lái)的需求和促進(jìn)工藝技術(shù)的進(jìn)步，提出了“地平線(xiàn)”計(jì)劃，目標(biāo)是微系統(tǒng)“效能增加100 倍、體積功耗降低為1/100”。DARPA 支持的相關(guān)計(jì)劃有可重構(gòu)毫米波陣列計(jì)劃（SMART）、三維電磁射頻系統(tǒng)計(jì)劃（3D MERFS）、材料與硅的異質(zhì)集成（HIMS）、垂直互聯(lián)傳感器陣列（VISA）、硅基化合物半導(dǎo)體材料（COSMOS）、多樣可用異質(zhì)集成（DAHI）項(xiàng)目計(jì)劃等。在基于MMIC 的異構(gòu)異質(zhì)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(zhǎng)工藝[50]。目前，諾斯羅普-格魯曼公司、HRL 實(shí)驗(yàn)室和雷聲公司代表了微系統(tǒng)集成的不同技術(shù)路線(xiàn)。

諾斯羅普-格魯曼公司的異構(gòu)集成方案主要利用3 種不同材料器件的優(yōu)勢(shì)，然后通過(guò)微納米尺度的組裝工藝將其集成在一起[51]。HRL 實(shí)驗(yàn)室的典型代表是外延層印刷異質(zhì)集成技術(shù)方案[52]，它可以實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)集成，主要集成方式是將多種不同材料的晶圓通過(guò)堆疊的方式集成。雷聲公司代表了單外延層生長(zhǎng)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(jīng)提供可供實(shí)際應(yīng)用的工程方案，其他兩類(lèi)方案尚存在成品率的問(wèn)題，有待改善。諾斯羅普-格魯曼公司報(bào)道的一種采用異構(gòu)集成技術(shù)的射頻微系統(tǒng)已出現(xiàn)，該SOC 集成了Si CMOS、GaN HEMT 和InP HBT 3 種不同的器件，實(shí)現(xiàn)了計(jì)劃的研究目的[51]。

4 總結(jié)

MMIC 的Si、SiGe、GaAs、InP 工藝和SiC 襯底的GaN HEMT 工藝仍將在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)占有自己的位置，發(fā)揮自己的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，同時(shí)在器件技術(shù)的推動(dòng)下，都向著毫米波和太赫茲應(yīng)用領(lǐng)域發(fā)展。第三代半導(dǎo)體GaN 材料、器件與MMIC 是研究熱點(diǎn)，器件創(chuàng)新向多樣化器件結(jié)構(gòu)發(fā)展，器件工作特性呈現(xiàn)出更高的功率密度、低失真技術(shù)路線(xiàn)?；贛MIC 器件工藝的異構(gòu)集成技術(shù)或異質(zhì)集成技術(shù)將朝著實(shí)用化的方向持續(xù)改進(jìn)和完善。