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微波/毫米波砷化镓单片集成电路及其应用
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微波/毫米波砷化镓单片集成电路及其应用（1）
程文芳，盛柏桢
（南京电子器件研究所，江苏南京210016）
摘 要：主要介绍国外微波/毫米波砷化镓单片集成电路的开发及其应用。
关键词：砷化镓；微波/毫米波器件；集成电路
1引言
当代微波电子技术的发展表明，军用电子装备中的微波、毫米波半导体器件及电路在改善系统性能和扩展系统功能方面具有巨大潜力。微波、毫米波技术，由于其波长短、波束窄、频带宽、穿透等离子体的功能强等一系列优点，故微波、毫米波器件及其电路已成为当今军用微电子技术的重要发展前沿。毫米波频率为30GHz～300GHz，35GHz、94GHz、140GHz和220GHz是接近大气衰减最小的窗口，是军事和通信方面十分重要的应用领域，已引起世界各国的特别关注。美国政府已把微波、毫米波器件及其电路作为国家微电子技术发展战略的核心，投入大量的人力、物力进行研究。1986年美国国防部尖端技术研究规划署（DARPA）制订了微波、毫米波单片集成电路（MIMIC）发展规划，目的是推动研制生产频率覆盖1GHz～100GHz高性能、高可靠、低价格的微波、毫米波器件和单片集成电路，计划投资5亿多美元，到计划完成时实际投资有可能超过10亿美元。
目前MIMIC已取得十分显著的成就。据报道，美国已有15种军用整机系统使用MIMIC芯片，其中部分电子装备已用于海湾战争，发挥了极其巨大的威力。到20世纪90年代中期，第二阶段完成后,由于广泛使用MIMIC,在微波、毫米波技术方面带来了飞跃发展。随着新材料、MIMIC设计和"Foundry"加工线的不断提高与完善，MIMIC性能和性能价格比较之目前会有更大的进步与提高。各种多功能电路、多功能单片组件和未来电子战所需要的宽带、超倍频程电路也将会有很大的发展。
随着冷战的结束，美国正在拟定计划，把联邦研究经费从军事转向民用，增加对光电子技术、新兴材料等其它关键技术的资助。目前，军用研究与开发经费占联邦政府研究与开发经费的60％，今后预计军用和民用研究与开发经费各占50％。这就表明将把美国国防部每年760亿美元的科研预算的10％，即76亿美元转移到民用方面。而且，在实现各占50％的平衡后，美国政府还将根据国家安全和经济条件作进一步的调整。据此，我们不难预料微波、毫米波器件和单片集成电路今后也将主要从军事应用转移到民用方面。近几年来，商业应用已逐渐成为人们关注的热点，主要是移动电话、无线通信、个人通信网（PCN）、全球定位系统（GPS）、直播卫星接收（DBS）、甚小孔径终端卫星系统（VSAT）和自动防撞系统等。
2GaAs材料
GaAs材料的电子迁移率比Si高7倍，且漂移速度快，所以GaAs比Si具有更好的高频特性，并具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附加效率高等特点。GaAs是直接带隙，禁带宽度大，因而器件的抗电磁辐射能力强，工作温度范围宽，更适合在恶劣的环境下工作。因为GaAs材料的器件工艺均比其它材料的更为成熟，所以目前和今后一段时间内，在微波、毫米波应用中仍以GaAs器件及其电路为首选对象。表1示出在室温（300K）时GaAs、Si和Ge的特性比较。
表1室温（300K）时GaAs、Si和Ge的性能比较
| 参量 | GaAs | Si | Ge |
|---|---|---|---|
| 原子密度/cm－3 | 4.42×1022 | 5.0×1022 | 4.42×1022 |
| 原子量 | 144.63 | 28.09 | 72.60 |
| 击穿场强/(V·cm－1) | 约4×105 | 约3×105 | 约×105 |
| 晶格结构 | 闪锌矿 | 金钢石 | 金钢石 |
| 密度/(g·cm－3) | 5.323 | 2.328 | 5.3267 |
| 相对介电常数 | 13.1 | 11.9 | 16.0 |
| 折射率 | 4.025(546nm) | 3.4223(5000nm) | 4.0170(4870nm) |
| 导带有效态密度，Nc/cm－3 | 4.7×1017 | 2.8×1019 | 1.04×1019 |
| 价带有效态密度，Nv/cm－3 | 7.0×1018 | 1.04×1019 | 6.0×1018 |
| 有效质量/(m＊/m) | |||
| 电子 | 0.067 | Me＊=0.98 | Me＊=1.64 |
| Mt＊=0.19 | Mt＊=0.082 | ||
| 空穴 | Meh＊=0.082 | Meh＊=0.16 | Meh＊=0.044 |
| Mhh＊=0.45 | Mhh＊=0.49 | Mhh＊=0.28 | |
| 电子亲合势/V | 4.07 | 4.05 | 4.0 |
| 功函数/eV | 4.71 | 4.6 | 4.4 |
| 禁带宽度/eV | 1.424 | 1.12 | 0.66 |
| 温度系数/(10－4eV/k) | －3.95 | －2.3 | －3.7 |
| 本征载流子浓度/cm－3 | 1.79×106 | 1.45×1010 | 2.4×1013 |
| 本征德拜长度/μm | 2250 | 24 | 0.68 |
| 本征电阻率/Ω·cm | 108 | 2.3×105 | 47 |
| 晶格常数/nm | 0.56533 | 0.543095 | 0.564613 |
| 线热膨胀系数/℃－1 | 6.86×10－6 | 2.6×10－6 | 5.8×10－6 |
| 熔点/℃ | 1238 | 1415 | 937 |
| 少子寿命/s | 约10－8 | 2.5×10－3 | 10－3 |
| 漂移迁移率/（cm2/V·s） | |||
| 电子 | 8500 | 1500 | 3900 |
| 空穴 | 400 | 450 | 1900 |
| 光学声子能量/eV | 0.035 | 0.063 | 0.037 |
| 声子自由程，λO/nm | 58 | 7.6(电子) | 10.5 |
| 55（空穴） | |||
| 潜热/(J/g·℃) | 0.35 | 0.7 | 0.31 |
| 热导率/(W/cm·℃) | 0.46 | 1.5 | 0.6 |
| 热扩散系数/(cm2/s) | 0.44 | 0.9 | 0.36 |
| 蒸汽压/Pa | 100(1050℃) | 1(1650℃) | 1(1330℃) |
| 1(900℃) | 10－6(900℃) | 10－6(760℃) |
3微波、毫米波器件
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GaAsMESFET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。另外，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。下面主要叙述HEMT和HBT器件的性能。
3．1HEMT
HEMT被公认为毫米波单片集成电路和超高速数字集成电路领域中最有竞争力的三端器件，又是一种既有优异的低噪声性能并具有功率性能的异质结器件。作为低噪声应用的HEMT自20世纪80年代至今已经历了3代的发展，工作频率从X波段直到W波段，低噪声性能一代比一代优异。第1代AlGaAs/GaAsHEMT在12GHz下，噪声系数（NF）为0.3dB,增益为17.1dB，而GaAsMESFET在同样频率下NF为0.95dB,增益为11.5dB；第2代HEMT的结构特点是以InGaAs代替GaAs作为沟道材料,AlGaAs/InGaAs/GaAsHEMT通常称为PHEMT,在40GHz下,NF为1.1dB;60GHz下为1.6dB，94GHz下为2.1dB；第3代是InP基HEMT，InP基材料和GaAs相比具有更高的电子迁移率和饱和速率。而InAlAs/InGaAs结构具有更大的导带不连续性，从而沟道电子具有更好的传输特性。InPHEMT在40GHz下，NF为0.55dB;在60GHz下，为0.8dB;95GHz下,为1.3dB。
近几年来，HEMT除了低噪声性能不断提高外，频率特性和功率特性都有了很大的提高。栅长0.1μm的InAlAs/InGaAsHEMT，本征跨导为1.67S/mm,fT为150GHz，fmax为330GHz；InP/InGaA/InPHEMT器件栅长为0.1μm，fT为160GHz，fmax为260GHz；栅长为0.2μm时，fmax为300GHz，本征跨导为570mS/mm，可应用于W波段；InAlAs/InGaAs/InPE
