毫米波化合物半導(dǎo)體材料研究進展

時 翔，張 超

（1. 常州工學(xué)院，江蘇 常州 213002；2. 南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

毫米波化合物半導(dǎo)體材料研究進展

時 翔1，張 超2

（1. 常州工學(xué)院，江蘇 常州 213002；2. 南京理工大學(xué)，江蘇 南京 210094）

毫米波集成電路成為毫米波系統(tǒng)應(yīng)用中必不可少的核心技術(shù)，化合物半導(dǎo)體材料砷化鎵、磷化銦無疑在毫米波集成電路制造中占據(jù)重要地位，繼砷化鎵、磷化銦占據(jù)毫米波芯片襯底材料主流之后，以氮化鎵材料為代表的第三代半導(dǎo)體材料逐漸成為目前國際毫米波芯片制造的材料研究熱點。本文對以砷化鎵、磷化銦、氮化鎵為代表的毫米波化合物半導(dǎo)體材料技術(shù)及其發(fā)展，進行了總結(jié)與展望。

毫米波集成電路；化合物半導(dǎo)體；綜述；砷化鎵；磷化銦；氮化鎵

30～300 GHz的毫米波技術(shù)在無線通信、汽車電子、雷達遙感、射電天文、航空安檢等領(lǐng)域愈來愈不可或缺[1-3]。2011年起，美國運輸安全管理局（TSA）授權(quán)國內(nèi)各大機場使用唯一“先進成像安檢技術(shù)”——美國 L-3公司提供的“Provision”毫米波安檢系統(tǒng)。2015年Google向外界展示了“基于60 GHz毫米波技術(shù)打造創(chuàng)新手勢互動體驗”項目。2016年美國Verizon和 T-Mobile公司向美國聯(lián)邦通訊委員會（FCC）提交了毫米波頻譜測試實驗牌照申請，同年，中國華為率先突破 60 GHz頻段波束成形（Beam Forming）及非視距傳輸（NLoS）技術(shù)，在未來 5G技術(shù)中，將60 GHz毫米波技術(shù)作為優(yōu)選。美國特斯拉（Tesla）汽車公司在2016年使用了以色列Mobileye公司的核心先進駕駛輔助系統(tǒng)（ADAS）技術(shù)，毫米波雷達芯片成為最核心的主流傳感器方案之一，在中國百度公司的全自動駕駛系統(tǒng)中，毫米波雷達亦成為其多感知系統(tǒng)融合的重要傳感器技術(shù)之一。

毫米波集成電路成為上述系統(tǒng)中必不可少的核心芯片。第一代半導(dǎo)體材料硅（Si）無疑在集成電路制造中占據(jù)重要地位，但在微波、毫米波集成電路的制造中，如表1所示，以砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）為代表的第二代化合物半導(dǎo)體材料以其飽和速度高、帶隙寬等優(yōu)良特性，占據(jù)目前毫米波集成電路制造材料的主流。繼GaAs、InP之后，以氮化鎵（GaN）材料為代表的第三代化合物半導(dǎo)體材料成為目前的研究熱點。本文主要分析了以GaAs、InP、GaN為代表的毫米波集成電路制造用化合物半導(dǎo)體材料的研究進展現(xiàn)狀與趨勢。

表1 半導(dǎo)體材料的電學(xué)參數(shù)對比Tab.1 Electrical parameter comparison of semiconductor materials

1 GaAs和InP基化合物半導(dǎo)體

以GaAs為半導(dǎo)體襯底材料的毫米波集成電路，已廣泛地應(yīng)用于毫米波無線通信、探測與成像等領(lǐng)域，成為目前毫米波集成電路制造最成熟的半導(dǎo)體材料技術(shù)。但是更高頻率應(yīng)用以及多功能系統(tǒng)級芯片（SOC）集成技術(shù)等方面尚有許多應(yīng)用有待拓展。InP半導(dǎo)體技術(shù)隨著毫米波工作頻率向著高工作頻率和超高速發(fā)展而逐步走入應(yīng)用，成為高頻、高速、混合信號毫米波技術(shù)的主流趨勢。

1.1 GaAs

GaAs在毫米波半導(dǎo)體材料技術(shù)中得到最廣泛應(yīng)用，與傳統(tǒng)Si材料相比，高電子遷移率、寬禁帶、直接帶隙、消耗功率低的特點，使其特別適用于毫米波頻率的集成電路設(shè)計與制造。圖 1所示為一種GaAs襯底的高電子遷移率晶體管-異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HEMT-HBT）的橫截面結(jié)構(gòu)[4]，疊層結(jié)構(gòu)包含HBT外延層上的HEMT層，E、B、C分別為HBT的發(fā)射極、基極和集電極，S、G、D分別為源極、漏極和柵極。

圖1 GaAs HEMT-HBT的橫截面結(jié)構(gòu)Fig.1 Cross section of the stacked GaAs HEMT-HBT technology

美國于20世紀(jì)80年代中期啟動了微波/毫米波單片集成電路研制計劃，基于GaAs半導(dǎo)體材料，發(fā)展用于未來戰(zhàn)場的靈巧武器系統(tǒng)、衛(wèi)星通信中的微波、毫米波集成電路技術(shù)[5]。2010年，嚴蘋蘋等[6]研制了兩級和三級2種毫米波（28～40 GHz）頻率的單片低噪聲放大器（LNA）；2011年，Yan等[7]基于100nm mHEMT技術(shù)，設(shè)計了兩款集成了縫隙天線的混頻器，兩種混頻器射頻端都達到了185～202 GHz。如圖2所示，單端混頻器的插入損耗為8 dB，接收機增益達到了15.4 dB；單端平衡混頻器的插入損耗為12.2 dB，接收機增益11.2 dB。2012年，Patterson等[8]介紹了一種60 GHz有源波束掃描的1×4接收機陣列，由4個與天線集成的GaAs LNA與3個GaAs單刀雙擲（SPDT）組成。2014年，Chang等[9]介紹了一種基于 0.15 μm GaAs的 Ka波段壓控振蕩器（VCO），工作頻率37.6～38 GHz。2015年，彭龍新等[10]研制了一款 GaAs集成了功率放大器（PA）和LNA的毫米波（32～37 GHz）多功能單片。

圖2 GaAs基mHEMT（a）單端電阻式混頻器，（b）單端平衡電阻混頻器Fig.2 (a) single-ended resistive mixer and (b) single-balanced resistive mixer based on GaAs mHEMT technology

在毫米波波段內(nèi)，GaAs器件的性能大大優(yōu)于Si器件的性能，其良好的低噪聲、大功率和寬頻帶特性，在過去數(shù)十年內(nèi)，使它成為毫米波領(lǐng)域內(nèi)最重要的半導(dǎo)體器件。

1.2 InP

InP基毫米波半導(dǎo)體材料是以InP單晶為襯底而生長的化合物半導(dǎo)體材料，與GaAs相比，其突出的特點是載流子遷移率高、擊穿電場與電子平均速度更高，更具有高頻、低噪聲、高效率、抗輻照等特點，特別適用于毫米波高頻率，因而成為W波段以及更高頻率毫米波芯片襯底首選材料，并廣泛應(yīng)用于衛(wèi)星、航空、軍事等重要應(yīng)用領(lǐng)域。

圖3是應(yīng)用于毫米波芯片電路的典型InP HBT工藝的截面圖[11]。工藝采用低介電常數(shù)（εr≈2.65）的BCB介質(zhì)層作為三級布線環(huán)境的夾層介質(zhì)，同時包括MIM電容及薄膜電阻。通過BCB介質(zhì)層（通常為1 μm）分離的M1和M2實現(xiàn)窄線寬和小間距的互連線，M3和M1是標(biāo)準(zhǔn)微帶線結(jié)構(gòu)，M3作為信號線，M1作為地線。

圖3 InP HBT工藝的截面圖Fig.3 Schematic cross section of InP HBT

InP基HEMT器件在噪聲和功率方面的優(yōu)勢，特別適合于無線通信收發(fā)鏈路和低噪聲放大的應(yīng)用。2009年，Hirata等[12]發(fā)表了基于InP基HEMT技術(shù)實現(xiàn)的 120 GHz無線通信鏈路，實現(xiàn)了 11.1 Gbit/s的最大數(shù)據(jù)傳輸率。2015年，鐘英輝等[13]基于自主InP HEMT工藝設(shè)計并制作了一款W波段單級LNA單片毫米波集成電路，如圖4所示，該放大電路芯片在87.5 GHz處噪聲系數(shù)為4.3 dB，88.8 GHz處飽和輸出功率為8.03 dBm。國際上，商業(yè)應(yīng)用的InP基LNA在94 GHz下的噪聲系數(shù)僅為2.5 dB，增益達到19.4 dB。

圖4 InP基HEMTs的W波段LNA芯片F(xiàn)ig.4 W band InP HEMTs LNA

隨著InP基HBT技術(shù)的突破，基于InP基HBT的毫米波芯片的fT和fmax提高到150～200 GHz以上。2015年，Eriksson等[14]采用InP基雙異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（DHBT）工藝實現(xiàn)了5級300 GHz放大器，圖5所示為采用該芯片集成的300 GHz放大器內(nèi)部的顯微照片。

圖5 InP基DHBT的300 GHz放大器Fig.5 300 GHz InP DHBT amplifier

隨著InP材料的成熟和發(fā)展，其豐富的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和極高的載流子遷移率，使其在更高頻率領(lǐng)域的應(yīng)用不斷推進和發(fā)展。近年來，美國已啟動了太赫茲波（THz）電子學(xué)研究計劃，計劃充分挖掘InP基材料在高頻領(lǐng)域的優(yōu)勢，將InP電路的工作頻率推進到太赫茲領(lǐng)域。2015年，Leong等[15]基于InP HEMT技術(shù)，研制了一種850 GHz的LNA，在850 GHz工作頻率下，噪聲系數(shù)11.1 dB，增益13.6 dB，如圖6所示?？梢灶A(yù)計在今后相當(dāng)長的一段時間里，具有優(yōu)異特性的InP基材料和電路將成為毫米波、太赫茲波研究的熱點。

圖6 InP基HEMT的850 GHz LNAFig.6 850 GHz InP HEMT LNA

2 GaN基化合物半導(dǎo)體

GaN作為第三代半導(dǎo)體（寬禁帶半導(dǎo)體）的代表，具有禁帶寬、擊穿場強高、電子飽和速度高、熱導(dǎo)率高、性質(zhì)穩(wěn)定等特點，其器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上，特別適用于毫米波功率器件，廣泛應(yīng)用于毫米波頻段的軍事、航天等領(lǐng)域，成為新一代固態(tài)毫米波功率器件與材料研究的前沿?zé)狳c，具有巨大的發(fā)展前景[16-17]。圖 7所示為典型的GaN HEMT結(jié)構(gòu)圖，AlGaN/GaN異質(zhì)結(jié)材料由絕緣或半絕緣襯底（SiC、Si等）、GaN、AlGaN組成。受自發(fā)極化效應(yīng)和壓電極化效應(yīng)的共同作用，AlGaN/GaN 界面處存在高密度的二維電子氣（2DEG），在源漏之間形成器件的導(dǎo)電溝道，器件通過改變柵極偏置大小來改變異質(zhì)結(jié)界面處的2DEG濃度，從而改變源漏輸出電流的大小[18]。

圖7 GaN HEMT 基本結(jié)構(gòu)Fig.7 Fundamental structure of GaN HEMT

2007年美國國防高級研究計劃局（DARPA）的寬禁帶半導(dǎo)體計劃“WBGS”中，提出從材料、器件到集成電路三階段在毫米波段對GaN基HEMT進行攻關(guān)，2009年，美國DARPA又啟動了面向更高頻率器件的NEXT項目，在4～5年內(nèi)將器件的頻率提高到500 GHz。

2009年，Masuda等[18]基于0.12 μm GaN HEMT共面波導(dǎo)技術(shù)研制了W波段的單片23 dB增益，3.8 dB噪聲系數(shù)的毫米波 LNA芯片和輸出功率 25.4 dBm的PA芯片。2011年，Quay等[19]基于100 nm GaN HEMTs技術(shù)，研制了60 GHz（150 mW輸出功率)和94 GHz（22.8 dBm輸出功率）的兩款PA芯片。2013年，Weber等[20]報道了兩款GaN基HEMT振蕩器芯片，如圖8所示。鎖頻振蕩器65.6 GHz，VCO的調(diào)頻范圍為65.6～68.8 GHz，相對帶寬達到5%。Oppermann等[21]于2014年報道了GaN基收/發(fā)前端集成模塊，如圖9所示，其中包括了兩個SPDT、LNA、PA等GaN基芯片進行混合集成，收發(fā)共用一個天線，通過SPDT進行收/發(fā)切換。

圖8 （a）鎖頻振蕩器和（b）VCOFig.8 (a) Fixed frequency oscillator and (b) VCO

圖9 GaN基收/發(fā)前端集成模塊Fig.9 GaN based transceiver front-end module

在國內(nèi)，2011年，劉果果等[22]報道了最大振蕩頻率為 200 GHz的基于藍寶石襯底的 AlGaN/GaN HEMT。2012年，陶洪琪等[23]報道了GaN pHEMT的毫米波功率MMIC產(chǎn)品，輸出功率密度可高達10 W/mm以上。2013年，任春江等[24]基于0.15 μm GaN HEMT技術(shù)，研制了一款Ka波段的PA芯片，其飽和功率達到10.64 W。2015年，宋建博等[25]基于標(biāo)準(zhǔn)的 SiC襯底 Al GaN/GaN高電子遷移率晶體管(HEMT)工藝研制了毫米波段單片微波集成電路(MMIC)芯片，研制的2級PA在27～30 GHz頻段，工作電壓為25 V時，輸出功率大于2.6 W，功率附加效率大于15%，功率增益大于9 dB。

與GaAs、InP相比，GaN基毫米波器件表現(xiàn)出良好的擊穿電壓特性、高增益、高頻段和較好的噪聲特性，可以增大發(fā)射組件中PA的輸出功率，實現(xiàn)更遠距離的探測，而且可以增加接收組件中LNA以及收/發(fā)開關(guān)的承受功率和可靠性，更利于其在國防、航天以及無線通信的應(yīng)用。在國內(nèi)，2013年，由中科院微電子所牽頭的國家自然科學(xué)基金重大項目“氮化鎵基毫米波器件和材料基礎(chǔ)與關(guān)鍵問題研究”通過驗收。在國際上，2015年，美國愛國者防空與導(dǎo)彈防御系統(tǒng)采用雷聲公司技術(shù)進行升級，GaN基有源電子掃描相控陣雷達技術(shù)取代了原來的GaAs技術(shù)。上述重大研發(fā)計劃都預(yù)示著GaN基毫米波技術(shù)在未來毫米波技術(shù)發(fā)展中的重要地位。

3 結(jié)束語

近年來，各種新技術(shù)層出不窮，其中石墨烯由于其特有的高遷移率、良好噪聲性能等特點，在LNA應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢，能廣泛應(yīng)用于W波段以及以上的毫米波單片集成電路中，特別適合于毫米波成像、超寬帶通信、雷達及電子戰(zhàn)系統(tǒng)等。2014年，美國高技術(shù)局（DARPA）在其官網(wǎng)宣布，基于互補金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）技術(shù)研發(fā)成功一種全Si單片集成的94 GHz發(fā)射/接收芯片，用于未來戰(zhàn)場無線通信。從當(dāng)前市場占有率來說，GaAs材料和InP材料仍然是毫米波單片集成電路的主流襯底材料，GaN由于其高功率的特點，重點應(yīng)用在軍事與航天領(lǐng)域，隨著對毫米波無線通信距離增大的需求，GaN基毫米波技術(shù)也逐漸進入工業(yè)應(yīng)用。隨著毫米波技術(shù)逐漸占據(jù)未來5 GHz通信、汽車電子等重要領(lǐng)域，全Si集成的CMOS 毫米波SOC技術(shù)勢必將逐漸成為主流。

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（編輯：陳豐）

Development on semiconductor materials research at millimeter wave band

SHI Xiang1, ZHANG Chao2
(1. Changzhou Institute of Technology, Changzhou 213002, Jiangsu Province, China; 2. Nanjing University of Science and Technology, Nanjing 210094, China)

Millimeter wave integrated circuits technology was the most necessary for millimeter wave application system. Compound semiconductors, such as gallium arsenide, indium phosphide undoubtedly occupy an important position in the millimeter wave integrated circuits manufacturing. Following the gallium arsenide and indium phosphide, gallium nitride materials as the representative of the third generation semiconductor materials become the millimeter wave integrated circuits manufacturing materials research focus. In this paper, the GaAs, InP, GaN as the representative of the millimeter wave integrated circuits semiconductor substrate materials technology and its development, are summaried and prospected.

millimeter wave integrated circuits; compound semiconductor; review; GaAs; InP; GaN

10.14106/j.cnki.1001-2028.2016.12.003

TN015

A

1001-2028（2016）12-0012-05

2016-09-06

時翔

江蘇省科技項目資助（No. BRA2015076）

時翔（1974-），男，江蘇宿遷人，副教授，博士，研究方向為微波、毫米波技術(shù)，E-mail: shix@czu.cn 。

時間：2016-11-29 11:30:51

http://www.cnki.net/kcms/detail/51.1241.TN.20161129.1130.003.html