InP基/GaN基器件與電路在微波毫米波領(lǐng)域“大顯身手”

項(xiàng)目資助：超高頻、大功率化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)基礎(chǔ)研究（項(xiàng)目編號(hào)：2010CB327500）

你知道現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)是依賴什么布下天羅地網(wǎng)，獲取地方信息并實(shí)行精確打擊的嗎？知道天氣預(yù)報(bào)是靠什么探測(cè)氣象信息嗎？知道為什么飛機(jī)可以在漆黑的夜空安全飛行嗎？對(duì)，就是因?yàn)槔走_(dá)——奇特神秘的超視距眼睛。它自投入軍旅以來(lái)，便用無(wú)形的手左右著戰(zhàn)局，如今，已經(jīng)成了影響現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)的關(guān)鍵因素之一。而化合物半導(dǎo)體集成電路的出現(xiàn)順應(yīng)了現(xiàn)代雷達(dá)（毫米波雷達(dá)）的發(fā)展需求，尤其是磷化銦（InP）基和氮化鎵（GaN）基器件與電路，成為了雷達(dá)信號(hào)發(fā)射和接收的“樞紐”。

首先，我們來(lái)看一則關(guān)于雷達(dá)的軍事案例，由此引出微波毫米波應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Σ牧线x擇的思考。

“1981年1月下旬的一天，從哈塔米空軍基地起飛的兩架伊朗空軍的 F-14戰(zhàn)斗機(jī)正在波斯灣西南空域巡邏飛行。在大約中午時(shí)分，伊朗地面雷達(dá)站捕捉到一個(gè)目標(biāo)，目標(biāo)在海灣西南空域上空，飛行高度在海平面上約100到200英尺，正在高速向布什爾方向移動(dòng)。地面雷達(dá)指示F-14向目標(biāo)飛去，此時(shí)，F(xiàn)-14長(zhǎng)機(jī)雷達(dá)也發(fā)現(xiàn)了同一個(gè)目標(biāo)并將其鎖定。在確認(rèn)了30英里以外正以極低高度飛行的目標(biāo)是敵機(jī)以后，F(xiàn)-14長(zhǎng)機(jī)發(fā)射了一枚AIM-54A‘不死鳥(niǎo)’空空導(dǎo)彈，‘不死鳥(niǎo)’擊中了伊拉克蘇-22戰(zhàn)斗機(jī)的機(jī)身中部，將其截為兩段；隨后長(zhǎng)機(jī)上的雷達(dá)操作飛行員報(bào)告說(shuō)看到一個(gè)火球墜入大海，確認(rèn)是那架低空飛行的蘇-22。此時(shí)，僚機(jī)飛行員發(fā)現(xiàn)了第二架蘇-22，這架敵機(jī)此前沒(méi)有被地面雷達(dá)發(fā)現(xiàn)，正當(dāng)F-14要展開(kāi)攻擊的時(shí)候，第二架蘇-22逃離了‘雄貓’的火力范圍?！皬纳鲜霭咐梢钥闯?，借助雷達(dá)更遠(yuǎn)更早地發(fā)現(xiàn)敵方可以為攻擊贏得先機(jī)，也能為逃走贏得時(shí)間。

那什么樣的現(xiàn)代雷達(dá)能夠比敵人更早地發(fā)現(xiàn)對(duì)方？又如何盡可能的隱藏自己呢？這需要進(jìn)一步了解雷達(dá)的工作原理及其核心組成部分。

雷達(dá)通過(guò)天線發(fā)出無(wú)線電波，無(wú)線電波遇到障礙物就反射回來(lái)，顯示在熒光屏上，這樣就可以判斷目標(biāo)的形狀、結(jié)構(gòu)、位置以及移動(dòng)速度等，無(wú)論障礙物處于高空，深海還是地下都可以探測(cè)，即使是隱身目標(biāo)。神秘的雷達(dá)系統(tǒng)是怎樣發(fā)射和接收無(wú)線電信號(hào)的呢？雷達(dá)內(nèi)部都有產(chǎn)生高功率輻射信號(hào)的雷達(dá)發(fā)射機(jī)，利用信號(hào)接收和功率放大模塊實(shí)現(xiàn)信號(hào)的接收和發(fā)射。最簡(jiǎn)單的發(fā)射/接收組件只有單端口作為發(fā)射輸出和接收輸出，它的工作原理和手機(jī)類似，在接收信號(hào)時(shí)，要保證接收到信號(hào)足夠的干凈，類似于接電話時(shí)要求聽(tīng)到他人的聲音比較清楚，此過(guò)程中起主要作用的是低噪聲放大器。而在發(fā)射信號(hào)時(shí)，我們希望發(fā)射更大功率的無(wú)線電信號(hào)，這樣就能探測(cè)到更遠(yuǎn)距離的敵方情況，此過(guò)程中起主要作用的是功率放大器，然而大功率發(fā)射機(jī)的截面會(huì)更大，這在戰(zhàn)爭(zhēng)中是非常危險(xiǎn)的，目標(biāo)越大就越容易被敵方探測(cè)到！所以，執(zhí)行信號(hào)接收和發(fā)射模塊的核心器件的選擇變得至關(guān)重要，它在很大程度上決定了雷達(dá)的探測(cè)能力和隱身能力。

目前，固態(tài)相控陣毫米波雷達(dá)以其超強(qiáng)的性能成為各方研究的焦點(diǎn)。其主要優(yōu)點(diǎn)在于，較短的波長(zhǎng)容易實(shí)現(xiàn)較窄的波束寬度，從而在目標(biāo)監(jiān)視方面有高的分辨力和跟蹤能力，能夠用小尺寸天線獲得更清晰的信號(hào)，極寬的可用頻帶便于提高分辨距離的能力，且提高了抗干擾性。隨著毫米波雷達(dá)在制導(dǎo)中的應(yīng)用，極大地提高了精確制導(dǎo)武器的命中概率和抗干擾能力。這對(duì)組成雷達(dá)核心功能的組件提出了更高的要求，尤其在高頻率和大功率方面的要求。而磷化銦（InP）基和氮化鎵（GaN）基器件與電路的出現(xiàn)順應(yīng)了毫米波雷達(dá)的發(fā)展需求，以其在超高頻、大功率、抗輻照、耐高溫等方面的優(yōu)良特性，逐漸成為信號(hào)接收和功率放大模塊的“香饃饃”。

事實(shí)上，歸屬于III-V化合物半導(dǎo)體材料的InP和GaN器件用肉眼是難以看清楚的，這么微小的器件為什么能滿足現(xiàn)代雷達(dá)對(duì)超高頻和大功率方面的需求呢？我們來(lái)看看它都有哪些神奇之處吧。

所謂III-V族化合物半導(dǎo)體，是指元素周期表中的III族與V族元素相結(jié)合生成的化合物半導(dǎo)體，主要包括鎵化砷（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵等。其中以砷化鎵技術(shù)較成熟，商業(yè)應(yīng)用也較廣。此類材料具有閃鋅礦結(jié)構(gòu)。鍵結(jié)方式以共價(jià)鍵為主。由于五價(jià)原子比三價(jià)原子具有更高的負(fù)電性，因此有少許離子鍵成份。正因?yàn)槿绱?，III-V族材料置于電場(chǎng)中，晶格容易被極化，離子位移有助于介電系數(shù)的增加，電場(chǎng)頻率在紅外線范圍。InP和GaN材料的n型半導(dǎo)體中，電子遷移率分別為10000cm2/v﹒s和2000cm2/v﹒s，飽和速度分別為2.3×107cm/s和2.7×107cm/s，遠(yuǎn)大于Si的電子遷移率1450cm2/v﹒s和飽和速度1×107cm/s，因此電子運(yùn)動(dòng)速度更快，比半導(dǎo)體Si更適合高頻和高速領(lǐng)域的應(yīng)用。同時(shí)InP和GaN材料的工作溫度可以高于500℃，遠(yuǎn)大于Si材料工作溫度300℃，非常適合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境和空間通信應(yīng)用。另外，GaN材料還具有超高的擊穿場(chǎng)強(qiáng)（3.3MV/cm）和更寬的禁帶寬度（3.49eV），全面超過(guò)Si材料的0.3MV/cm和1.1eV，具備大功率應(yīng)用和抗輻照應(yīng)用的潛力；GaN材料的原子結(jié)合鍵強(qiáng)、化學(xué)特性很穩(wěn)定（幾乎不被任何酸腐蝕），導(dǎo)熱能力好，因此能適應(yīng)惡劣的工作環(huán)境。除了材料本身的特殊性質(zhì)外，還得益于新型材料與器件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。典型的微波器件有高電子遷移率晶體管（HEMT）和異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管（HBT）。HEMT器件包含的基本外延層結(jié)構(gòu)：隔離層、高摻雜層和勢(shì)壘層為同一種寬禁帶材料；溝道材料為窄禁帶材料。由極化、摻雜等多種因素產(chǎn)生的自由電子，從能量高的地方轉(zhuǎn)移到能量低的地方，并在材料的某些界面形成高濃度的二維電子氣，它就像是具有一定厚度的導(dǎo)電層，這層導(dǎo)電層與形成導(dǎo)電層的離子實(shí)現(xiàn)了空間上的分離，從而減小了電子移動(dòng)的阻礙作用，使得導(dǎo)電載流子遷移率高，噪聲小。電子遷移率高，說(shuō)明器件傳輸信號(hào)的速度可以很快，工作頻率就越高。高濃度高遷移率的電子在電場(chǎng)作用下高速定向移動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生很大的輸出電流密度。若材料還具有較高工作電壓（比如GaN材料），則為單位面積大功率輸出和器件微型化提供了可能，可應(yīng)用于低噪聲放大器、功率放大器等。HBT器件區(qū)別于傳統(tǒng)的雙極型晶體管，其基極/發(fā)射極結(jié)和基極/集電極結(jié)均為兩種不同材料形成的PN結(jié)，具有功率密度高，相位低，線性度好的特點(diǎn)，主要應(yīng)用于功率放大器、振蕩器、混頻器、環(huán)形器等。

看了這些是不是覺(jué)得InP、GaN這些新奇的東西離我們的生活很遠(yuǎn)？其實(shí)當(dāng)你拿起電話和遠(yuǎn)在天邊的朋友侃侃而談，打開(kāi)電腦上網(wǎng)沖浪獲取各種有價(jià)值無(wú)價(jià)值的信息的時(shí)候，微波功率放大器等多種類型器件和電路就在作為忠實(shí)的信使默默地幫你傳遞信息。不過(guò)，是不是有這種情況，當(dāng)你進(jìn)入山區(qū)或者偏遠(yuǎn)的地方時(shí)，手機(jī)沒(méi)有信號(hào)了？這是因?yàn)槭謾C(jī)基站的信號(hào)覆蓋面積和發(fā)射功率不夠大引起。是不是你們還在為上網(wǎng)速度慢，網(wǎng)絡(luò)帶寬窄而犯愁呢？InP基和GaN基微波器件將為您帶來(lái)新的希望和體驗(yàn)……

我們以GaN為例說(shuō)明移動(dòng)通信的前景。移動(dòng)通信基站將信號(hào)放大發(fā)射到空間，以便于遠(yuǎn)距離的接收設(shè)備接收到滿意的信號(hào)電平。若GaN基微波功率放大器用于通信基站，可以將手機(jī)基站的功率密度提高到現(xiàn)在的硅芯片技術(shù)的兩倍或者三倍，因此可以用較少數(shù)量的基站覆蓋同樣的地區(qū)，更可能的情況是，在基站數(shù)量不變的情況下提供更高的數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸速率。相比以往材料而言，GaN微波器件工作電壓更高，工作溫度更高，簡(jiǎn)化了基站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并省去許多制冷設(shè)備，整個(gè)基站有可能縮小到只有小型電冰箱的大小，可以安裝在電線桿上，而不必占據(jù)電話公司中心局中昂貴的空間。所謂“一代材料，一代器件”，而對(duì)于用戶而言更是“一代體驗(yàn)”。

那么我們來(lái)看看，未來(lái)將在哪些民用領(lǐng)域可能出現(xiàn)InP和GaN器件的地方呢？

第一、汽車光電子市場(chǎng)，目前汽車防撞雷達(dá)已在很多高檔車上得到了實(shí)用，將來(lái)肯定會(huì)越來(lái)越普及。汽車光電子市場(chǎng)，目前汽車防撞雷達(dá)已在很多高檔車上得到了實(shí)用，將來(lái)肯定會(huì)越來(lái)越普及。由于汽車防撞雷達(dá)一般工作在毫米波段，所以肯定離不開(kāi)磷化銦，它的中頻部分才會(huì)用到鍺硅，由于全球汽車工業(yè)十分龐大，所以這是一個(gè)早晚必定會(huì)發(fā)生的巨大市場(chǎng)。

第二、新一代光纖通信技術(shù)。新一代的40Gbps光通信設(shè)備不久肯定會(huì)開(kāi)始裝備，40Gbps的光通信設(shè)備會(huì)代替 25Gbps設(shè)備投入大量使用。而這些設(shè)備中將大量使用磷化銦、砷化鎵、鍺硅等化合物半導(dǎo)體集成電路。

第三、移動(dòng)通信技術(shù)正在不斷朝有利于化合物半導(dǎo)體產(chǎn)品的方向發(fā)展。目前二代半（2.5G）技術(shù)和第三代（3G）技術(shù)已成為移動(dòng)通信技術(shù)的主流。二代半技術(shù)和3G技術(shù)對(duì)功放的效率、散熱、帶寬、線性度已有新的要求，不過(guò)砷化鎵技術(shù)、鍺硅技術(shù)仍可以滿足。如今第四代（4G）的概念己明確提出來(lái)。4G技術(shù)對(duì)手機(jī)有更高要求。它要求手機(jī)在樓內(nèi)可接入無(wú)線局域網(wǎng)（WLAN），即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。因此這是一種多功能、多頻段、多模式的移動(dòng)終端。從系統(tǒng)小巧來(lái)說(shuō)，當(dāng)然會(huì)希望實(shí)現(xiàn)單芯片集成（SOC），但單一的硅技術(shù)無(wú)法在那么多功能和模式上都達(dá)到性能最優(yōu)。要把各種優(yōu)化性能的功能集成在一起，只能用系統(tǒng)級(jí)封裝（SIP），即在同一封裝中用硅、鍺硅、InP等不同工藝來(lái)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)不同功能。另外，4G對(duì)無(wú)線基站也提出更高要求，希望信號(hào)發(fā)射能力更強(qiáng)，帶寬更寬，體積更小等，這也為GaN的應(yīng)用提供了平臺(tái)。

盡管InP和GaN器件與電路擁有美好的應(yīng)用前景，但目前階段還有諸多問(wèn)題和挑戰(zhàn)亟待研究人員解決。由于化合物半導(dǎo)體集成電路工藝與傳統(tǒng)硅基電路不兼容，材料成本和工藝成本都較昂貴，成品率較低，所以發(fā)展與硅基工藝兼容的技術(shù)路線是一種趨勢(shì)，有利于降低成本，實(shí)現(xiàn)民用化和商業(yè)化。同時(shí)材料單晶缺陷比硅高，需要進(jìn)一步提升材料品質(zhì)。雖然它們?cè)诟邷貞?yīng)用領(lǐng)域比硅強(qiáng)，但為了滿足超高功率應(yīng)用需求，仍然要解決高溫和高場(chǎng)下可靠性問(wèn)題。因此，InP、GaN基器件與電路要像半導(dǎo)體硅一樣普及應(yīng)用，并互為補(bǔ)充，仍有待研發(fā)技術(shù)的不斷升級(jí)。這需要一代又一代微電子領(lǐng)域的同行付出不懈的努力！希望能有更多愛(ài)好微電子事業(yè)的接班人投身新一代信息技術(shù)革命的浪潮！