毫米波功放国内外进展与趋势

消费者对无线数据传输速度的需求看似是无止境的。这提高了点与点无线连接的工作频率也为毫米波放大器设计提供了更多的机会。载波频率与数据传输速率的关系如下图所示。随着工作频率的增长，可以使用的器件在减少，而器件和实验设备的成本却很高。

对于毫米波放大器的最大应用是对于移动通信中的点与点连接。在6-40GHz范围的微波点与点连接已经是很成熟的技术。对于毫米波(>30GHz)放大器，大约在38GHz的产品已经有很多了。 在60GHz左右的波段很有意义。在美国这是最广泛且灵活的分配，在57GHz到64GHz频带内是可以不注册而使用的。对于60GHz波段通常使用在户外媒体点对点连接、高速WLAN和高速无线个人区域网络(WPAN)。60GHz频段最大的特点是由于氧气的吸收而有较大的大气衰减。这虽然减短了实际的传输距离，但这常常视作减少干扰和频谱在利用的好处。然而，对于高速WLAN/WPAN应用，60GHz的频段是很具吸引力的选择。在这种情况下，潜在产品量会很多，由于所需的性能(如：噪声系数、线性度、发射功率)低于点与点的连接且价格也会比较低。这些因素可以得出这样的结论：这种应用很有可能由高集成度的硅收发机所主导。对于输出低功率、小型化、低价格的MMIC放大器这会起到一定的作用。60GHz毫米波通信的研发工作正日益活跃起来。该技术面向PC、数字家电等应用，能够实现设备间数Gbps的超高速无线传输。在业内多家厂商的积极推动下，毫米波通信今后的应用将会不断扩展。英特尔公司首席工程师Alexander Maltsev就表示：“几年后，毫米波通信无疑将会变得不可或缺。”这一技术目前面临的问题是元器件成本较高。毫米波通信现在主要用于实现家庭内的非压缩高清视频传输，如果其应用能扩展至手机及办公设备，那么，随着出货量的增加，其成本将能够大幅降低。PC、WLAN以及便携设备等行业的众多厂商都对毫米波通信寄予厚望的最大原因是该技术能够提供较宽的带宽。在60GHz频段内，全球无需许可即可免费使用的带宽可达7GHz~9GHz。在71GHz到76GHz和81GHz到86GHz的E波段也同样得到了很大的关注。爱立信2010年2月在巴塞罗那的Mobile World Congress 上，全球第一套容量达到2.5GBPS的E波段（70GHz/80GHz）微波系统得到了完美演示。其特性为：系统容量：用单一的无线单元传输全双工的以太业务容量：1-2.5GBPS。系统频率：具有宽信道带宽的全新频段E频段（70GHz/80GHz）。传输站距：短于3公里的传输技术（对降雨敏感）。系统应用：大容量城区内短距离传输。尽管E波段有很大的吸引力，但是只有当仪器设备的价格下降到可以接受的范围才会大范围的应用。W 波段功率放大器是超宽带无线通信、汽车雷达和电子战系统中的核心部件。国外研究机构已经有大量基于GaAs和InP材料HEMT、HBT器件的W波段功率放大器MMIC的报道。国内的相关研究和应用则处于初级阶段。基于GaAs技术的功率放大器GaAs材料和器件发展现状目前，以砷化镓（GaAs）为代表的化合物半导体高频器件及电路技术已经进入了成熟期，已被大量应用于高频通信领域，尤其是移动通信和光纤通信领域，到2009年其市场规模已经达到了45亿美元。随着GaAsIC制造成本的大幅度下降，它们在功率放大器、低噪声放大器和射频开关电路在移动通信RF前端占据了主要地位，手机与移动基站的芯片是GaAsIC最大的市场，约占其市场份额的45%左右；随着DWDM驱动光纤通信容量的增加，GaAsIC在SONET芯片方面的需求大幅度增加，其市场份额大约为22%。国际上生产民用GaAs器件及电路的代表性企业有美国的VITESSE、TRIQUINT、ANADIGICS、MOTONOLA、LUCENT、ALPHA、AGILENT、HP；日本的NTT、Oki、Fujisu；德国的西门子；台湾的稳懋、宏捷、全球联合通讯以及尚达等。他们生产的主要产品是移动通信射频电路（如GaAs手机功率放大器和低噪声放大器电路等）以及光纤通信发射和接收电路（如GaAs激光驱动器、接收器、复用器及解复用器、时钟恢复电路等）、微波功率晶体管及功率放大器等各种系列的产品。我国2004年后，GaAs材料和器件进入高速发展期，国内成立了以中科稼英公司、中科圣可佳公司为代表多家GaAs单晶和外延材料公司，开始小批量材料供应，并取得一定的市场份额。中科院微电子所通过自主创新率先在国内建立了4英寸GaAs工艺线，并成功地研制出10Gb/s激光调制器芯片等系列电路。传统的器件研制单位中电集团13所和55所通过技术引进完成2英寸到4英寸工艺突破，初步解决Ku波段以下的器件和电路的国产化问题，其中8-12GHzT/R组件套片已成功地应用大型系统中，但在成品率、一致性、性价比等方面尚存在一定的差距，在民品市场中尚缺乏竞争力。Ka波段以上的GaAs器件和电路尚没有产品推出，严重地制约了我国信息化建设。基于GaAs技术毫米波波段MMIC功率放大器芯片发展及现状1976 年,由 Pengelly 和TUrner利用GaAs衬底的半绝缘性质,成功研制了X波段的GaAs MESFET单片低噪声放大器,标志了MM I C的实现。从GaAs MESFET放大器的出现开始,毫米波三极管放大器以及放大器单片集成电路得到了迅速发展 ,相应的新材料、新工艺、新器件和新的设计技术层出不穷,并仍在不断取得进展 ,为集成化的毫米波收发前端和各功能组件的研制和批量生产奠定了坚实的基础,极大地推动了毫米波系统的研究和应用。 由于最早诞生的微波三端功率器件是GaAs,所以早期的MMIC功率放大器电路研究都是采用这种有源器件。但是随着器件工艺的不断发展,pHEMT等HFET(异质结结构场效应管)器件在效率和增益等性能方面超越了 MESFET器件。近年来,有不少关于两类器件性能对比的研究报道,例如在1996年,TI公司的RonYarough等人[1]就对采用这两种工艺设计的功率放大器进行了研究。他们先是采用0.25umAlGaAs/InGaAs pHEMT工艺,设计了一个三级功放电路。在26.5-28GHz频段上,经测试至少有1W的连续波输出功率,20dB的增益,平均PAE (功率附加效益)是35%,最高PAE值是37 %。然后再将此用 pHEMT技术设计的电路,不修改电路结构,直接用0.2um离子植入式(ion-implanted)MESFET工艺流程制造出来,在同样的频段上测得的连续波输出功率至少为1W,18dB的增益,平均PAE值是24%,最高PAE值是27%。对比两种电路芯片的测试结果,可以发现这两种放大器在26.5-28GHz频段都可以得到至少lW的输出功率,虽然考虑到商业应用时,0.2um离子植入式MESFET工艺较0.25um pHEMT的成本要小,但前者会损失2dB的增益值和9-13%的PAE值。在获得相同的输出功率的情况下,MESFET工艺在效率和增益上都略逊于pHEMT。微波功率器件要求有尽可能大的输出功率,而随着工艺的发展与电路设计技术的提高,在 毫米波波段内输出功率能达到lW以上的报道也不断出现。在1997年,TRW公司的D.L.Ingeam等人[2]介绍了一个用于收发机中的输出功率达到6W的功放模块。它采用0.25umAlGaAs/InGaAs HEMT工艺进行加工。电路分为两个部分:前级驱动模块和后级输出模块。前者采用两级电路结构,在34.5GHz取得ldB压缩点输出功率为27dBm,PAE值为27%,增益为10.7dB,电路的尺寸为4.0xl.5mm;后者是由两个功率放大器单元电路并联构成的,单个功率放大器单元电路在在34.5GHz取得ldB压缩点输出功率为35.4dBm,PAE值为28% ,增益为1 1.5dB,电路的尺寸是4.8x3.1mm。后级输出模块在输人端采用插人损耗为0.4dB四路功率分配器,输出端则采用了插入损耗为0.6dB的八路Wilkinson功率合成器。经测试,22整个电路模块在35.4GHz取得的ldB压缩点输出功率为37.8dBm,PAE为24% ,增益为21.5dB。但是需要指出的是,虽然输出功率达到6W,可是由于电路分成了两个独立的模块,在将电路商业化应用时,从减小电路模块的尺寸和降低芯片成本方面考虑,电路仍需要改进。GaAs MHEMT是在沟道层与GaAs衬底之间生长一个相对较厚的InAlAs层,其In的组分从某个值x渐变至0,从而使晶格的失配得以缓解。使用渐变组分缓冲层后,沟道层中In的组分x在30 %～60 %内几乎可以任意选择,以极大的自由度使器件性能优化MHEMT可认为是GaAs衬底上的InP HEMT技术,其在低噪声方面表现出与InP HEMT相近的性能,是以GaAs相对低成本获得InP的绝对高性能,从而可使GaAs站稳毫米波的低端,进而形成抢占毫米波高端领地的竞争态势。2003年美国Raytheon公司采用GaAs MHEMT工艺研制成功95GHz功率放大器[3], 2005年W波段MHEMT功率放大器的输出功率达到267 mW[4]。在70～110 GHz中, 大尺寸GaAs HEMT放大器的最高输出功率是200～400 mW[5]。当前，Northrop Grumman公司在E波段和W波段功率放大器芯片产品如下所示

国内虽然在pHEMT MMIC方面起步较晚,但是近年来,一些从事毫米波电路与系统的高校和研究所在毫米波波段GaAs pHEMT的研究取得了一定的进展。2001年,南京电子器件研究所的陈新宇等人.采用自行研发的0.2umGaAs pHEMT器件工艺,制作了单级的功率放大器[6]。电路在34GHz处可以取得100mW的输出功率,功率增益为 14dB。2006年,中科院上海微系统与信息技术研究所的顾建忠等人[7]报道了一个采用0.25umGaAs pHEMT工艺设计的放大器芯片[8]。电路采用一路功放驱动两路功放 ,两路功放再驱动四路功放的三级结构。芯片的面积为2.6 x3mm ,在31.5-32.5GHz频段内,小信号增益为17.4dB,饱和输出功率为0.5W。石家庄十三所实现了分别实现了频段为26-31GHz，输出功率为36dBm，增益为16dB,PAE为22%，以及频段为34-36GHz，输出功率为35.5dBm，增益为16dB,PAE为18%的单片功率放大器。由于国内关于Q、W波段的MMIC相关的文章几乎很难找到，对于这方面就很难进行国内外的比对了。基于GaN技术的功率放大器GaN材料和器件发展现状氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体的代表，具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和击穿场强等优点，器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上。由于其高频率、高功率、高效率、耐高温、抗辐射等优异特性，可以广泛应用于微波毫米波频段的尖端军事装备和民用通信基站等领域，因此成为全球新一代固态微波功率器件与材料研究的前沿热点，有着巨大的发展前景。GaN基HEMT结构材料和器件是当前国际上及其重视的研究方向。以美国为首的西方国家都将GaN基微波功率器件视为下一代通讯系统和武器应用的关键电子元器件，并设立专项研究计划进行相关研究，如美国国防先期研究计划局（DARPA）的宽禁带半导体计划“WBGS”，提出了从材料、器件到集成电路三阶段的研究计划，并组织三个团队在X波段、宽带和毫米波段对GaN基HEMT及其微波单片集成电路（MMIC）进行攻关。在宽禁带半导体计划取得重要进展的基础上，美国DARPA在2009年又启动了面向更高频率器件的NEXT项目，预计4－5年内将器件的频率提高到500GHz。目前，在GaN基微电子材料及器件研究领域，美国和日本的研究处于世界领先水平，美国主要研究机构有UCSB大学、Cree公司、APA公司、Nitronex公司、Cornell大学、USC大学等，日本的主要研究机构有名古屋理工学院、NEC公司、Fujitsu公司和Oki公司等。2003年，ITRSroadmap中指出：GaN基器件在高偏压、大功率、大功率密度等应用领域具有巨大潜力，是功率器件固态化的首选。德国夫琅和费固态物理应用学会也在2005年的年度报告中指出：由于GaN基HEMT器件具有的大动态范围和良好的线性，它将成为未来更大功率的基站、雷达系统使用的功率器件。经过近十年的高速发展和投入，GaN功率器件和电路取得令人瞩目的成就，主要在宽带、效率、高频三个领域全面超越GaAs器件，成为未来应用的主流。同时，长期困扰GaN功率器件实用化的瓶颈：可靠性问题，随着材料、工艺和器件结构等技术水平的提高，已实现了MTTF达到108小时。2010年，美国Triquint公司宣布推出3英寸GaN功率器件代工线服务，并发布了覆盖2-18GHz的系列器件和电路，这标志着GaN产品时代正式到来。国内建立了四条GaN功率器件研制线，研制出覆盖C-Ka波段系列内匹配器件和电路。X波段和Ka波段器件输出功率密度分别达17W/mm和3W/mm以上；8-12GHzGaNMMIC脉冲输出功率20W，功率附加效率为32％；15-17GHzGaNMMIC脉冲输出功率17W，功率附加效率为27％；Ku波段内匹配器件脉冲输出功率20W，功率附加效率大于25％；Ka波段MMIC脉冲输出功率达到3W，W波段器件fT大于174GHz、fmax为215GHz。上述器件和电路的技术指标达到国际先进水平，但在可靠性方面尚存在一定的差距，目前处于样品阶段。2011年，我国重大专项启动“中国宽禁带半导体推进技术”，重点开展3英寸GaN器件工艺线建设和器件可靠性推进工程，最终实现“用的上、用的起”GaN功率器件和电路，实现与国际的同步发展和竞争。基于GaN技术毫米波波段MMIC功率放大器芯片发展及现状在高频率方面，美国HRL实验室报道了12路GaN MMIC波导合成的毫米波功率放大器模块，在95GHz下，输出功率超过100W的GaN MMICs功放合成模块；2011年，美国Raytheon公司报道了三款分别针对于高效率、高增益、高输出功率的毫米波GaN MMIC电路，在95GHz下，最高增益为21dB；在91GHz下，最高PAE大于20％；在91GHz下，最高输出功率为1.7W。在宽带电路方面，实现了2-18GHz和6-18GHz宽带GaN微波功率单片电路，连续波输出功率达到了6-10W，功率附加效率为13％-25％；在高效率方面，X波段MMIC输出功率20W，功率附加效率达到了52％。X波段内匹配功率器件脉冲输出功率60.3W，功率附加效率高达43.4％。2011年，Hossein报道了3.5GHz下的功率器件，效率达到80％。2010年M.Roberg研制的F类功率放大器件，在2.14GHz，输出功率8.2W，效率达到84％；目前 HRL（Malibu, California）已经报道了输出功率可达 0.5 W 工作频率在W波段（可达95GHz）的MMIC，毫无疑问目前HRL是GaN技术在毫米波中高频段应用领域中的佼佼者。已经投入商业应用的产品如下所示

相对于国外的发展,国内由于受到设计水平和半导体工艺水平的限制,主要应用还是以内匹配器件和氮化镓功率模块为主。而关于氮化镓单片电路的研究,只有南京电子器件研究所陈堂盛、张斌[10]等和中国电子科技集团公司第十三研究所张志国等[11]人有所报道。基于InP技术的功率放大器InP材料和器件发展现状InP基半导体材料是以InP单晶为衬底而生长的化合物半导体材料，包括InGaAs、InAlAs、InGaAsP以及GaAsSb等材料。这些材料突出的特点是材料的载流子迁移率高、种类非常丰富、带隙从0.7到将近2.0eV、有利于进行能带剪裁。InP基器件具有高频、低噪声、高效率、抗辐照等特点，成为W波段以及更高频率毫米波电路的首选材料。InP基三端电子器件主要有InP基异质结双极晶体管（HBT）和高电子迁移率晶体管（HEMT）。衡量器件的频率特性有两个指标：增益截止频率（fT）和功率截止频率（fmax）。这两个指标决定了电路所能达到的工作频率。InP基HBT材料选用较宽带隙的InP材料作为发射极、较窄带隙的InGaAs材料作为基极、集电极的材料根据击穿电压的要求不同可以采用InGaAs材料或InP材料，前者称为单异质结HBT，后者称为双异质结HBT，且后者具有较高的击穿电压。InP基HEMT采用InGaAs作为沟道材料、InAlAs作为势垒层，这种结构的载流子迁移率可达10000cm2/Vs以上。InP基HBT的突破是在本世纪初，美国加州大学圣巴巴拉分校的M.Rodwell领导的研究组率先将InP基HBT的fT和fmax提高到200GHz以上。其后采用采用转移衬底技术实现的HBT，fT为204GHz，fmax超过1000GHz；2007年，Illinois大学制作成功发射极宽度为250nm的SHBT，其fT超过800GHz，fmax大于300GHz；为了解决SHBT中击穿电压低的问题，2008年UCSB设计实现了无导带尖峰的双异质结HBT（DHBT），fT突破500GHz，fmax接近800GHz，击穿电压大于4V；采用GaAsSb基极，与发射极和集电极的InP材料形成II-型能带结构的InPDHBT的fT大于600GHz，并具有很好的击穿特性。在器件突破的同时，国外的InP基单片集成功率放大器（PA）、和压控振荡器（VCO）的工作频率都被推进到300GHz以上。据报道，国外毫米波段（100GHz）的系统已经进入实用化阶段，频率高达300GHz的演示系统也已出现。我国InP基材料、器件和电路的研究起步较晚，近些年取得了长足的进步。在InP单晶方面，国内拥有20多年研究InP单晶生长技术和晶体衬底制备技术的经验和技术积累，已经实现了2和3英寸的InP单晶抛光衬底开盒即用，其位错密度等方面与国外衬底材料相当，近年来一直为国内外用户批量提供高质量2和3英寸InP单晶衬底；在外延材料方面，中科院在InP衬底上实现了InP基HBT和HEMT器件结构，并突破了复杂结构的HBT材料的生长，实现了高质量的InP基HBT外延材料，生长的InP基HEMT外延材料的载流子迁移率大于10000cm2/Vs，并已实现了向器件研制单位小批量供片；在器件研制方面，2004年前主要开展InP基光电器件的研制，如肖特基二极管、光电探测器等。2004年随着973项目“新一代化合物半导体电子材料和器件基础研究”的启动，InP基电子器件和电路的研究才逐渐得以重视，目前中科院和中电集团先后在3英寸InP晶圆上实现了亚微米发射极宽度的InP基HBT和亚100nmT型栅的InP基HEMT器件，截止频率超过300GHz。中国电子科技集团第十三研究所，2009 年采用中国电子科技集团第十三研究所工艺线， 研制出一款工作在80GHz~102GHz的W波段InP基宽带单片低噪声放大器，该单片采用晶格匹配InP HEMT材料，放大器在整个带内增益大于19 dB，噪声系数小于5dB，在83 GHz~86 GHz频率范围内，噪声系数小于3dB。中国科学院微电子研究所微波器件与集成电路研究室（四室）InP HBT 小组再传捷报，其设计制作的InP DHBT振荡频率达到 305 GHz，打破了由其先前在国内创造的 253 GHz 的记录，在该领域的研究上，不仅在国内取得了绝对的领先优势，而且在频率和功率综合指标上已经接近国际先进水平。在科技部973项目和中科院重要方向性项目的支持下，微电子所“百人计划”学者金智研究员率领 InP HBT 小组科研人员刻苦攻关，采用传统的三台面式的器件结构和发射极基极自对准、BCB 平坦化等工艺，在器件频率及成品率、一致性方面取得较大突破。研制成功的共基极四指并联 InP/InGaAs/InP 双异质结三极管（DHBT）器件的性能得到极大的优化，不仅将击穿电压提高到 7 V，饱和电流提高到 100 mA，直流参数的最大输出功率提高到 80 mW；而且在频率上更上一层楼，最大振荡频率突破 305 GHz。这一结果发表在《Solid-State Electronic》上，是目前为止国内唯一一篇在国外文献上报道的、器件频率超过 300 GHz 的文章。基于InP技术毫米波波段MMIC功率放大器芯片发展及现状虽然HEMT放大器技术在W及以上波段得到广泛的应用,但是HBT由于其固有的低1/ f噪声也成为一种优选技术。2003年Y.Wei[9]仍采用转移衬底InPHBT技术,又研制了75GHz的80mW InP DHBT功率放大器; 2006年报道的70 nm InP HEMTMMIC G波段功率放大器[13],采用四级放大,在175-191GHz,输出20 W, 184GHz,峰值25 mW,功率附加效率9. 5% ,是G波段固态放大器MMIC报道最好结果。InP低噪声放大MM IC的工作频率已达到235GHz, I nP HEMT器件和电路已成为目前毫米波高频性能最好的器件。HRL厂商已经投入商业应用的产品如下所示

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