微波固态器件与单片微波集成电路技术的新发展*

周德金，黄 伟，宁仁霞

(1.复旦大学微电子学院，上海 200443；2.清华大学无锡应用技术研究院，江苏无锡 214072；3.桂林电子科技大学广西精密导航技术与应用重点实验室，广西桂林 541004；4.黄山学院信息工程学院智能微系统安徽省工程技术研究中心，安徽黄山 245021)

1 引言

二战以来，随着雷达、无线通信以及无线电导航技术需求的不断增长，发达国家越来越重视战略地位高的微波理论与技术并投入大量的人力和物力，一批科学家和工程技术人员也开展了一系列卓有成效的工作，将微波领域由波导立体电路为主推进到现在以单片微波集成电路（MMIC）为主，并不断探索新的微波技术。

20 世纪60 年代，平面混合集成电路逐步发展起来，属于微波混合集成电路（HMIC）。到20 世纪70 年代，砷化镓（GaAs）材料和器件工艺日趋成熟，加快了微波集成电路（MIC）的发展。射频电感和电容也得以采用半导体平面工艺加工而实现了片内集成，微波电路从MIC 向体积小、寿命长、可靠性高的MMIC 过渡，并逐渐成为微波技术半导体发展的主流趋势[1]，硅基互补金属氧化物半导体（Si CMOS）、锗硅双极-互补金属氧化物半导体(SiGe BiCMOS)、砷化镓异质结双极晶体管(GaAs HBT) 或赝配高电子迁移率晶体管(GaAs PHEMT)、磷化铟异质结双极晶体管(InP HBT)或磷化铟高迁移率晶体管(InP PHEMT)等MMIC 工艺呈现出共同发展的局面，较好地满足了微波设备系统的多样化应用需求。

进入21 世纪，随着人类各方面需求的提高，射频微系统的小型化、多功能化、功率密度进一步提升，相继诞生了氮化镓高电子迁移率场效晶体管（GaN HEMT）技术、异构集成技术和异质集成技术，并正成为未来发展的重点和热点。本文紧密结合军用相控阵雷达系统、现代通信系统在波束赋形、多进多出（MIMO）的共性应用趋势，对微波毫米波器件与电路、射频微系统进行了梳理与归纳。

2 MMIC 器件工艺及发展状况

MMIC 是在半导体衬底上用半导体平面工艺法制造出有源器件和无源元器件，用金属微带线连接起来构成应用于微波频段的功能电路。在芯片材料和器件工艺方面，目前比较成熟的工艺技术有Si RF CMOS、SiGe BiCMOS、GaAs HBT、GaAs PHEMT、InP HBT、InP PHEMT 等，GaN HEMT 技术处于快速发展阶段。基于Si、SiGe、GaAs、InP 的MMIC 工艺已较成熟，主要的器件和工艺研究集中于应用拓展和性能提升、完善成品率、降低制造成本和提高晶圆产能。

2.1 Si

以Si 基金属氧化物绝缘栅场效应管为主的CMOS 技术，按摩尔定律发展，其特征尺寸在2011 年达到22 nm,随后以FinFET 技术为主的新器件、新工艺持续发展，FinFET 量产特征尺寸在2017 年也达到了10 nm，并在朝着7 nm、5 nm、3 nm 迈进。

RF CMOS 是基于标准CMOS 改进的，适合射频电路应用的器件技术，最早研究于20 世纪90 年代中期。该技术的最大优势在于可以实现大规模集成，实现模拟与数字电路结合，最终实现系统集成芯片。但是，随着特征尺寸的缩小，晶体管的工作截止频率并未趋于更高，且密集布线所产生的寄生效应给射频电路设计引入了不利因素。因此，目前微波毫米波电路所采用的RF CMOS 工艺主要仍是90 nm、65 nm、40 nm、32 nm、28 nm 等制程。65 nm 的SOI CMOS 最高振荡频率(fMAX)已达到450 GHz，完全可用于毫米波和太赫兹芯片设计[2]。此外，由于RF CMOS 具有与标准CMOS 工艺兼容、低成本、高集成度、产能高等其他化合物所不具备的先天优势，目前成熟的应用包括涉及无线通信芯片行业的GPS 接收机芯片、2.4 GHz 蓝牙收发机SoC、GSM 手机收发SoC。RF CMOS 工艺的应用研究集中在微波毫米波功率放大器、多通道低成本相控阵系统集成SOC 以及数字PA、通信基带模块等方向。

5G 通信催生了各种材料工艺的射频芯片。2017年（ISSCC）SHAKIB 等[3]报道了一款26～33 GHz 宽带毫米波5G 通信用的功率放大器，采用40 nm 工艺制程，在1V 工作电压下，27～33GHz 输出功率大于15dBm，带宽800 MHz，峰值效率（PAE）大于33%，EVM 小于-25 dBc；2013 年（MTT）SHIN 等[3]报道了一款采用0.13 μm CMOS X 波段4 通道的相控阵发射机，每个通道集成了幅相控制电路和功率放大电路，在3 V 工作电压下，每个通道输出功率超过135 dBm；2017 年（CICC）QIAN 等[5]报道了一款3～7 GHz 4 通道数字调制相控阵发射机SOC，该芯片采用40 nm 工艺，相位控制精度小于0.35°，幅度误差小于0.2 dB，在1.1 V/1.2 V 电源电压下的输出功率大于21 dBm，整体PAE高达38%。

另一方面，曾侧重于数字电路设计的FinFET 技术也正在被用于面向基带应用的模拟电路开发，并能与数字电路较好地集成。例如，目前Intel 22 nm 制程之后的CPU、高通最新发布的骁龙系列SOC 等，都是基于FinFET。然而，因为FinFET 的晶体管尺寸非常小，布线非常密集，晶体管的布局布线在射频频段会产生严重的寄生效应，射频电路设计难度很大。即便如此，在技术与需求的推动下，FinFET 工艺射频电路还是取得了一定的成果。2017 年（ISSCC）PAOLO 等[6]报道了一款2.4 GHz 的数字极化发射机SOC，该发射机采用Intel 14 nm Trigate/FinFET 制程，在1 V 电源电压下，单通道输出峰值功率超过19 dBm，PAE 超过32%，在输出功率为12 dBm 时，EVM 小于-31 dBc。

全耗尽绝缘硅（FD-SOI）是另一种先进硅材料体系的硅芯片制造工艺。它是在绝缘氧化硅埋层/单晶Si 衬底材料体系上生长一层超薄的单晶硅层后再研制平面晶体管结构的技术。FD-SOI 技术集成了两个创新工艺：一是超薄的硅层制造晶体管沟道；二是底部硅层上生长超薄的氧化绝缘层，故其仍能沿袭现有的CMOS 工艺制程，实现摩尔定律的芯片面积微缩、性能提升和能耗降低。相比FinFET 新工艺，FD-SOI 更容易实现，加工成本更低。例如，相对统一特征尺寸的标准CMOS 工艺，28 nm 的FD-SOI 较前者具有50%射频性能提升的优势和更明显的低功耗特性。FD-SOI 工艺主要面向低功耗和低成本应用，在物联网时代，其相对于FinFET 工艺更具潜力。由于高温下的高效存储和功耗泄露管理，FD-SOI 能为汽车应用带来绝佳的可靠性。目前，FD-SOI 生态系统正在壮大，多家Foundry 宣布了量产计划，EDA 公司正在积极研发IP，Fabless 公司也正在尝试应用设计。例如，Global Foundaries 推出了面向下一代无线和物联网芯片的射频/模拟PDK（22FDX-rfa）解决方案，以及面向5G、汽车雷达、WiGig、卫星通信、无线回传等新兴高容量晶圆的毫米波PDK（22FDX-mmWave）解决方案[7]。

2.2 SiGe

SiGe 合金材料的禁带宽度小于Si 的禁带宽度，以传统的Si 基晶体管技术为基础，已实现了SiGe 异质结晶体管以及集成电路的制造。SiGe 外延技术主要有3 种：分子束外延、超高真空化学气相淀积、常压化学气相淀积。第一只SiGe HBT 由IBM 公司于1987年采用MBE 方式制造，随后进行不断完善，直到1989年，制作出理想异质结特性的HBT[8-9]。随后，IBM、Jazz、Phillip、TEMIC 以及Global Foundries 等公司持续对集成HBT 和CMOS 技术的BiCMOS 进行不断研究以提升SiGe 器件的性能。1998 年，IBM 公司首先推出了商业化应用的SiGe BiCMOS 5HP 工艺技术，目前更新到9HP 节点，器件截止频率超过200 GHz。德国的IHP 和NXP 等公司也推出了各自的工艺技术。NXP 公司推出的QUBIC14 工艺器件的增益和噪声特性可以和GaAs 相媲美。2006 年，IBM 与乔治亚理工学院合作，SiGe HBT 在液氮-268 ℃条件下特征频率(fT)达到500 GHz[8]。

SiGe HBT 拥有较好的线性度和更高的速度，以及更好的工作电压范围，因此兼顾CMOS 和HBT 两者优点的SiGe BiCOMS 是一个MMIC 芯片设计有竞争力的工艺选项，在射微系统SOC 方面也具有较大优势，SiGe HBT 能广泛用于放大器和混频电路，而SiGe CMOS 能用于数字以及幅相控制电路。尽管在面对Si CMOS 竞争时，它也存在工艺成熟度相对较低和产能不足、工艺复杂以及与数字Si CMOS 电路工艺不兼容等现实问题，但SiGe BiCOMS 相对于GaAs MMIC 来说，在大批量应用时（数量超过100000 只），晶圆尺寸（SiGe 目前晶圆达到203 mm，GaAs 晶圆最大为152 mm）和集成度均体现出明显优势。它目前最主要的研究热点是用于相控阵T/R 组件的小信号电路，目标是代替GaAs MMIC 在T/R 组件中的地位，实现T/R 组件低成本化。

目前基于SiGe BiCMOS 技术的主要射频或微波毫米波芯片有低噪声放大器、微波毫米波功率放大器、混频器、压控振荡器、相控阵多通道T/R 集成SOC等，其中相控阵多通道SOC 是研究的热点。2014 年（MTT）KU 等[9]报道了一款77～81 GHz 的多通道相控阵接收SOC，SOC 采用IBM 8HP SiGe BiCMOS 制程，集成了16 个接收通道，每通道具备幅相控制功能，且集成了本振频率源，直接输出为中频信号。2016 年（MTT）ZIHIR 等[11]报道了一款工作于60 GHz 的相控阵发射SOC，该SOC 集成了16 个通道，每一个通道具备幅相控制功能，并集成了SPI、ESD、联网等模块功能，由16 个SOC 通过全网连接技术和芯片拼接技术，实现了256 个通道的片上系统级集成，故这在多通道系统级集成技术应用上具有里程碑意义。2017 年（ISSCC）HU 等[12]报道了一款多频段多尔蒂结构的5G通信线性毫米波功率放大器，该芯片采用Global Foundries 0.13 μm SiGe BiCMOS 工艺，可工作在28 GHz、37 GHz、39 GHz 3 个频道，输出峰值功率分别为16.8 dBm、17.1 dBm、17 dBm，峰值增益分别为18.2 dB、17.1 dB、16.6 dB，对应的峰值效率分别为20.3%、22.6%、21.4%，用于5G 通信时可实现3 Gbit/s（64-QAM）的数据传输。

从最近几年报道的成果能看出，SiGe BiCMOS 越来越受到人们的关注。随着信息产业的不断发展，以及SiGe BiCMOS 技术的持续完善和推广，SiGe BiCMOS 将在未来的RFIC 和MMIC 应用领域中占据重要的地位。

2.3 GaAs

GaAs 材料相对于Si 具有高电子迁移速率、高漂移速率、高禁带宽度和低衬底损耗，是制造微波毫米波最理想的二代半导体材料。GaAs 直接跃迁型能带结构，工作温度范围宽，不易受到电磁辐射损伤，比较适合在宇航和核辐射的环境下工作。GaAs、InP 两者组成的三元化合物半导体可以产生不同于GaAs 单一化合物材料的电学性能，这源于材料体系的能带工程调控技术不断进步。20 世纪60 年代末提出的超晶格理论和20 世纪80 年代分子外延层技术的成熟，促进了半导体材料微结构的发展。Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体的一大优点是能够采用晶格常数相近的不同半导体形成异质结，将Si 半导体的“掺杂工程”转变为“能带工程”，由此诞生了一系列新型异质结器件，例如异质结场效应管（HFET）、异质结双级晶体管（HBT）、高电子迁移率晶体管（HEMT）、膺配高电子迁移率晶体管（PHEMT）等。

超晶格理论以及半导体薄层的量子效应是近30年来半导体物理研究中取得的重大突破。科学家基于这两大理论掌握了振荡频率为400 GHz、开关速度为2 ps 的台面Al-GaAs 谐振隧道器件（RTD）整套技术，随后研制出一种谐振隧道双极晶体管，并沿袭一维量子化产生量子阱的思路深入开展包含二维量子化产生量子线、三维量子化产生量子点在内的低维半导体体系研究。研究发现，当电子波封闭在一个量子线中时，会形成电子波导，而电子波导中电子的传播与光在波导中的传播类似。在这些器件的激发下，一些新的器件构想不断诞生，并得到各国科技机构的关注[13]。

最为典型的就是1983 年美国投资监理GaAs 研究中心和GaAs 门阵列生产线。1986 年由美国国防部先进研究项目局DARPA 主导，总投资约10 亿美元的微波毫米波单片集成电路计划大大推动了GaAs 的研究和应用。20 世纪90 年代，微波单片集成电路和数字砷化镓门电路这两个研究热点方向都取得了不错的研究成果。例如，1991 年微波单片集成电路计划第一阶段研发出79 种MMIC 芯片，频率覆盖1～100 GHz。数字GaAs 芯片在1992 年进行第一次演示验证，结果表明数字GaAs 芯片不仅可以满足军方需要，还能将系统的成本降低50%，系统重量和体积也能降低70%。军方一致认为，数字GaAs 器件表现出更强的抗干扰性能。美国和欧洲在这方面给予了重点支持[13]。

GaAs HBT 于 1984 年研制成功，采用AlGaAs/GaAs 异质结替代Si 双极器件中的p-n 结，取得了比Si BJT 更优异的性能[13]。HBT 是一种改进的双极晶体管，其发射区和基区是由不同带隙的半导体构成，发射区具有宽带隙材料，这种发射极结构提供势垒，阻挡空穴注入基区，而有利于电子的注入，电流从发射极到集电极垂直流过HBT，而不像MESFET 横向流动，纵向电流流动能维持高的功率密度，因此HBT 是比MESFET 更为有效的功率放大器件[14]。HBT在发射极采用宽带隙材料,HBT 基区层掺杂浓度可以非常高，从而维持高的电源增益。在GaAs HBT 中基区薄层方块电阻仅200 Ω，比典型的Si BJT 低近一个数量级，有助于图形的大尺寸设计。此外，GaAs 半绝缘衬底消除了对延迟时间常数和增益带宽产生严重影响的集电极-衬底电容，也有助于器件的频率特性提升。GaAs HBT 作为一种超负载双极晶体管，GaAs电子迁移率8500 cm2/(V·s)比Si 的1500 cm2/(V·s)高，GaAs HBT 可在低Vce(小于1 V)下达到高的fT，在低电压、小功率电路中体现出显著的优势。因HBT 是双极工艺，器件可以在单一正电源电压下工作，不像MESFET 和PHEMT 器件需要双电源工作，故能为设计与应用带来较大的方便。

GaAs HBT 主要应用在无线高频通讯产品，主要体现形式是RF PA。传统2G 手机中，一般是2 个功率放大器，一般只有一个频段。3G 时代，一部手机平均使用4 颗PA。3.5G 时代平均使用6 颗PA。在4G 时代，基于调制方式的改进，单部手机至少需要5 颗GaAs HBT PA。若还涉及WIFI、GPS 等应用，则需要更多HBT PA。在5G 时代，数据传输速度将是4G LTE 的100 倍，只有高性能的GaAs HBT PA 才能满足要求。4G 和5G 的推进是GaAs HBT 应用市场增长的主要动能[15]。2013 年上半年高通推出CMOS 功率放大器解决方案，开始打入低端智能手机供应链，但是由于Si材料物理性能限制，无法应用于高频领域。因此，虽然Si 材料较GaAs 有成本优势，但高频PA 在5G 通信时代应用具有较高的技术门槛，市场并不会受到影响，GaAs 材料在手机功率放大器领域具有绝对的优势[15]。

GaAs HEMT 器件生长在半绝缘衬底上，是基于AlGaAs/GaAs 异质结材料体系的器件，主要包括外延材料成型和器件制造。一般制造过程如下：首先采用MBE 等技术在纯GaAs 上面连续生长高纯窄带隙GaAs 材料缓冲层、重n 型宽带隙AlGaAs 固溶体材料掺杂层和重n 型GaAs 欧姆接触层；接下来采用台面腐蚀工艺，隔离器件的有源区，在重n 型GaAs 上淀积Au/Ge/Au 作为器件的源漏欧姆接触电极，通过干法选择腐蚀去除栅极区上面的n+-GaAs 层。在裸露的n+-AlGaAs 掺杂层表面上淀积Ti/Pt/Au 栅电极，以与AlGaAs 层面形成肖特基势垒。因此HEMT 器件的能带结构是在半绝缘衬底上形成两个背靠背的势垒，即栅电极与AlGaAs 层形成的肖特基势垒以及AlGaAs与GaAs 形成的突变异质结势垒。当器件栅偏压处于平衡状态时，异质结界面处在受到导带偏移的作用力影响下，已掺杂宽禁带AlGaAs 半导体的电子会翻越导带差进入到窄禁带为掺杂的GaAs 中，上述电子和相应的施主杂质在物理空间上是分离的，并在异质结中形成一个由AlGaAs 层中的杂质正离子指向GaAs层电子的内建电场，且在窄禁带GaAs 层一侧会形成一个近似三角形的势阱。流向GaAs 一侧的电子被限制在三角形势阱中（二维电子势阱），被约束在平行于异质结界面的两维自由度方向，因此被称为二维电子气，即2DEG。二维电子气中的电子具有很高的迁移率，常温下高达8000 cm2/(V·s)，因而HEMT 器件具有高速和高增益特性。HEMT 器件是电压控制器件，控制栅极电压可控制异质结三角形势阱的深度和宽度，自然能改变沟道内二维电子的面密度，进而控制器件的工作电流。PHEMT 器件是HEMT 器件的改进结构，即采用非掺杂的InGaAs 代替非掺杂的GaAs 作为二维电子气的沟道材料制作而成的。InGaAs 材料具有比GaAs 材料更窄的能带带隙，增加了异质结导带不连续性，提高了沟道电子浓度。另外，InGaAs 材料具有更小的电子有效质量，其电子迁移率高达15000cm2/(V·s)，器件的高频特性更优[16]。

GaAs PHMET 器件的工作频率、工作电压与特征尺寸有关，特征尺寸已接近50 nm，可工作在毫米波和太赫兹频段。PHMET 器件根据特性和应用，能制作面向特定应用的功能器件，例如开关器件、功率器件和低噪声器件。目前主流的商用工艺线为4 英寸（102 mm）和6 英寸（152 mm）。GaAs PHEMT 可用于低噪声放大器（LNA）、单刀双掷开关（SPDT）、数控移相器（PS）、数控衰减器（AT）、功率放大器（PA）等，这些是相控阵T/R 组件的核心MMIC。2008 年有报道利用6 英寸（152 mm）0.15 μm 栅长的GaAs PHEMT 加工Ka 波段功放，35 GHz 输出功率可达6 W，增益大于23 dB,PAE 为26%，末级功率密度约675 mW/mm（每毫米栅长的器件输出功率值）[17]。2010 年报道了输出功率密度超过1 W 的Ka 波段GaAs PHEMT[18]。GaAs PHEMT 提供的器件种类也具有多样性，例如E/D 型PHEMT 工艺，集成了E 型器件和D 型器件，可以制作复杂的T/R 一体化微波前端多功能MMIC（MFC）[19]。GaAs PHEMT 技术因工艺成熟度和低噪声的优势，长期在传统的MMIC 领域占据主导地位，并将随着射频微系统的小型化发展而持续进步。

随着能带工程的继续发展，InGaAs 沟道和GaAs衬底在晶格上不匹配的问题，可通过超晶格方法生长缓变的缓冲层来解决，这种HEMT 称为变构HEMT，即MHEMT，而GaAs、Si 和Ge 均可作为MHEMT 的衬底。GaAs 基的MHEMT 与InP HEMT 相比，具有成本低、晶格质量高、机械强度好和衬底尺寸较大等特点，其工作频率已进入亚毫米波。2011 年报道的20 nm栅长的MHEMT，其fT达到660 GHz，是HEMT 器件的最高值[2]。MHEMT 能工作到H 波段，成为研究亚毫米波应用的重要器件。

GaAs 半导体的制造流程与Si 相似，市场上的主要厂商多为国际IDM 厂商。中国台湾地区的稳懋半导体是世界上GaAs 领域最大的代工厂，代工市场占有率超过60%。全球GaAs 半导体市场份额最大是Qorvo，次之是Skyworks。GaAs HBT 和PHEMT 器件是MMIC 领域最主要的器件，也是目前MMIC 器件中最成熟、性能最优的（在GaN 器件工艺成熟之前）。在移动设备和国防应用中，GaAs 材料的器件是主流，是MMIC 中的典型代表。

2.4 InP

InP 的器件工艺技术源于GaAs，但是与GaAs 相比，InP 的衬底材料击穿电场、热导率、电子饱和速度都要高，因此InP 器件具有明显的高频优势。然而InP的不足在于材料较脆弱，晶圆技术目前不如GaAs 成熟。

InP 的技术发展晚于GaAs。第一只InP HEMT 由AKSUN 等报道于1986 年，被制作在InP 衬底上，其中异质结的InGaAs 沟道的In 含量为53%。经过改进，InP 短栅长HEMT 于1988 年问世，它表现出在毫米波频段具有卓越的噪声性能[20]。近些年，InP HEMT 器件研究取得重大进展。2017 年CHA 等[21]研制出0.1 μm InP 低噪声HEMT，其gm可达1500 mS/mm，而GaAs低噪声PHEMT 的gm约为600 mS/mm。在超高频InP HEMT 器件研制上，MEI 等的研究具有代表性。2015年他们报道了栅长25 nm 的InP HEMT 在1 THz 处增益为3.5 dB，fMAX达到1.5 THz，这是近期报道最短栅长的HEMT 器件，具有里程碑的意义[22]。目前，InP PHEMT 器件技术仍然在持续发展，主要用于毫米波低噪声放大器和毫米波高效率高功率功率放大器。与此同时，增强性InP HEMT 器件也在研究中，已有相关的成果报道[20]。增强性InP HEMT 器件结合耗尽性InP HEMT 器件，将来可能被用于制作超高速的数字逻辑电路。

2015 年MEI 等[23]制作了一款TMIC 放大器，该放大器在1 THz 处增益为9 dB，是目前工作频率最高的放大器。2017 年LEONG 等[24]采用25 nm 的InP HEMT 技术，研制出工作于850 GHz 的太赫兹收发组件，其中一款低噪声放大器在790～820 GHz 频带内增益大于10 dB。可见，InP HEMT 技术在太赫兹单片电路领域具有比较大的高频优势，在太赫兹研究中是一种重要的器件。

21 世纪初，国际上开始采用GaAsSb 材料替代InGaAs 制作 InP/GaAsSb/InP DHBT。 2011 年URTEAGA 等[25]提出130 nm 的InP DHBT，是目前报道的最小的特征尺寸，该器件的截止频率超过520GHz，最大振荡频率超过1.1 THz。

InP DHBT 在毫米波PA 和太赫兹PA 应用中表现出优异的性能，已获得各方肯定。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 带内具有20 dB 增益，输出功率为105～138 mW，PAE 为21%～36%；在81 GHz处，输出功率为135 mW,PAE 为36%。随着基区电流的降低，在输出功率为129.6 mW 时，PAE 达到40%。PA2 在102.5 GHz 处输出功率超过98.1 mW，效率高达21%。由此可见，InP DHBT 在毫米波单片集成电路PA 应用中具有高频高效率的显著特点。

InP DHBT 还广泛用于超高速集成电路，例如超高速的DAC 等。近年来，随着集成InP DHBT 器件的异构集成技术取得突破性进展，InP DHBT 在未来将会成为射频微系统高频高速高效率器件中不可或缺的一部分。

2.5 GaN

GaN HEMT 诞生自1993 年，经过了近20 年的发展，已经在射频功率放大器方面得到初步应用[27]。GaN材料是第三代半导体的代表，从能带角度来看的话，最为典型的特点是宽禁带。美国国防部先进研究项目局（DARPA）为了推动GaN 研究的进步，相继制定了针对性计划，主要包括宽禁带半导体技术创新计划（WBGSTI）和电子下一代技术计划（NEXT）。在GaN研究与应用中，美国走在前列。2011 年美国TriQuint公司（现在Qorvo 的一部分）宣布其GaN 产线达到工业9 级水平，并经过美国国防部验证，可完全量产化。美国其他公司（雷声公司、诺格公司等）、欧洲和日本相关公司紧随其后，逐步实现量产化[28]。我国的相关科研机构经过多年的研究和不断的投入，也逐步实现工程化应用。

赵正平先生对GaN HEMT 器件和MMIC 的研究进展做了完备的综述，提到了GaN HEMT 近些年的发展突破了一系列关键技术，例如高质量4H-SiC 单晶晶圆的生长难题，外延层的结构设计和生长，栅极和双场版的器件制造工艺，GaN HEMT 有源器件，MIM电容，薄膜电阻以及晶圆背孔等组成的GaN MMIC 工艺，GaN HEMT 小信号和大信号模型的提取与建模，抑制电流崩塌、栅漏电流等失效激励与提升可靠性等[27]。研究人员分别对Si、SiGe、GaAs、InP 和GaN 等MMIC 工艺的功率特性和工作频率进行了分析。结果表明GaN HEMT 在高输出功率、高工作效率、高工作频率等方面具有较明显的优势[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。在相同输出功率和工作频率（Ka 波段）下，GaN HEMT PA MMIC 尺寸相对GaAs PHEMT PA MMIC 尺寸可以缩小82%[30]。

目前GaN HEMT 国内外都有相应的MMIC 研究成果出现。住友电气设备创新公司的KIKUCHI 等[31]于2014 年报道了输出功率达到310 W 的X 波段GaN HEMT 功率器件模块，南京电子器件研究所陶洪琪[32]于2016 年报道了X 波段60 W 的PA MMIC。BROWN 等[33]于2016 年报道了8192 个1 W 功率合成的W 波段GaN PA MMIC，W 波段功率发射机的输出功率超过7 kW。南京电子器件研究所吴少兵等[34]于2016 年报道了W 波段1 W 输出功率的GaN PA MMIC。从相关成果的报道时间顺序来看，中国的GaN HEMT PA 研究相对国外有一定的落后。

GaN HEMT 器件在毫米波和太赫兹应用中同样具有很大的优势。2016 年WIENECKE 等[35]报道的N极深凹SiN 介质栅HEMT 器件，最大频率可达276 GHz，在8 V 电源电压支持下，峰值功率可达1.73 W/mm。在10 V 电源电压下，峰值功率可达2.9 W/mm。NIIDA 等[36]于2016 年研制出W 波段HEMT 器件，该器件工作在20 V 电源电压下，能获得的功率密度为3.6 W/mm（86 GHz），这是目前已报道的W 波段GaN HEMT 最高的输出功率密度。由此可见，GaN HEMT 在毫米波频段可以用于大功率器件的研制。

随着5G 的推进和国防装备的升级，GaN HEMT和PA MMIC 作为主要射频功率器件将会进入高需求时期，这将会大大推进GaN 的技术进步和产业化，前景非常光明。

3 射频异质异构集成技术的发展趋势

当前微系统技术路线分为以Northrop Grumman、Teledyne 公司为代表的三维异构集成和以Raytheon、HRL 为主导的晶体管级异质集成。三维异构集成的代表是目前的“芯粒”产品实用化技术，并在成本、速度、成熟度等方面具有较明显的优势，但随着微系统沿三维堆叠方向的集成规模攀升，因中道互连引线所产生的延迟效应已成为限制微系统性能提升的重要因素之一。

DARPA 于2012 年推出了“硅基化合物半导体”项目(简称COSMOS 项目)。COSMOS 项目拟开发一种灵活的、高成品率的晶体管异质集成技术，实现化合物半导体器件与标准Si CMOS 器件的异质集成。COSMOS 计划的3 家参研单位Northrop Grumman、Raytheon 以及HRL 已经完成了第一阶段的研制任务，实现了化合物半导体器件与Si CMOS 的异质集成。目前COSMOS 计划已进入第二期阶段，进行DA 等电路的集成，Raytheon 在InP/CMOS 单片异质集成研究方面，已掌握Si/InP 选区生长、InP HBT/CMOS 兼容工艺以及毫米波芯片集成整套关键技术，研制出国际上首款InP 与Si CMOS 异质集成的量化降速芯片，频率达到13 GHz，降速比为1:16，功耗小于1.2 W，与单一InP HBT 工艺相比，工作频率维持不变，降速比提高1倍，功耗降低36%。在异质集成方面，国内尚未有相关单位的研究报道，主要采用“金丝键合”或者“凸点焊”以实现芯片级异质集成。

近年来，GaN 器件与MMIC 在高功率、高效率、小型化方面的应用得到长足的进步，这为GaN 在新体制雷达通信系统的多功能、集成化应用创造了有利的条件。为此，研究者正在加大对衬底材料改进、器件和工艺等关键要素的创新性研究，以加速MMIC 器件的射频微系统向着异构集成或异质集成的方向发展。

3.1 GaN 器件的散热结构研究

采用GaN 材料的MMIC 能工作在较高的电压下，其功率密度也得到相应的提升，而随着器件技术的进步和功率密度的提升，器件的散热问题越来越成为GaN PA 的发展瓶颈。若衬底热阻较高，HEMT 沟道温度将会升高到一个危险的温度，进而导致器件特性下降，甚至烧毁器件。主流GaN MMIC 采用SiC 材料作为衬底也正是因为SiC 材料具有较高的热导率。目前，一种基于金刚石作为衬底的GaN 器件研究逐渐成为热点。金刚石硬度高、耐高温、抗腐蚀和辐射，热导率达到2200 W/(m·K)。它的热导率比碳化硅（SiC）高4 倍、比硅高13 倍、比砷化镓高43 倍，比金属铜和银还要高4 倍。以目前SiC 衬底GaN 功率密度和器件工作结温推算，采用金刚石衬底的GaN PA 密度将接近40 W/mm，能将现有的功率系统体积大幅度缩小3/4。2013 年美国Group4 的研究人员对金刚石衬底的GaN HEMT 器件的可靠性进行了实验，实验表明金刚石衬底的GaN HEMT 器件在200 ℃沟道温度下工作了超过17 万小时，器件的电流变化小于10%。可见，金刚石衬底的GaN HEMT 器件的可靠性也是一大优势[37]。

2012 年HIRAMA 等[38]对以SiC 材料为衬底的HEMT 结构与以金刚石为衬底的HEMT 结构的温度进行了测量。在栅宽630 μm、输出功率2 W 的条件下，器件温度最高处分别为36 ℃与46 ℃，与室温相比分别上升了13 ℃和23 ℃，充分体现了金刚石作为GaN 器件衬底的散热优势。欧盟于2008 年启动MORGaN 项目（2008—2011），率先将高热导率金刚石引入了GaN 基HEMT 器件和电路的研制中，研究单晶金刚石衬底、纳米金刚石表面覆膜等技术对GaN 基HEMT 器件性能的影响。研究结果表明，在器件研制过程中引入纳米金刚石表面覆膜，可以将衬底对器件的影响显著降低，提高器件的散热能力[37]。

在金刚石衬底的GaN HEMT 器件研究中，GaN材料和金刚石的晶格失配、接触界面受损、材料结合处界面态等技术难题是阻碍金刚石衬底发挥理想特性的关键难题。2017 年12 月，日本富士通公司实验室（Fujitsu Laboratories Ltd.）发布了金刚石衬底的GaN HEMT 器件研究成果，在工艺中将普通SiC 基GaN HEMT 器件的衬底削薄，然后在室温下将前者键合在金刚石基片上面。该成果的重要意义在于实现了室温条件下SiC 薄衬底与金刚石单晶材料的键合，提升了接触界面的热导率，GaN HEMT 器件热阻得以降低60%以上[39]。若金刚石衬底大规模生产得到解决，GaN HEMT MMIC 功率密度可至少提升2 倍。在可预见的将来，随着GaN HEMT 器件金刚石衬底与GaN 材料的晶格匹配技术不断优化，GaN HEMT 功率密度将实现数倍的提升。而采用金刚石衬底的GaN HEMT 功率器件的射频微系统体积将大大降低，微波空间距离得到数倍增长。

近年来，具有高功率密度的GaN 半导体技术因其在5G 通信应用中有望带来射频前端的小型化、成本竞争力的潜在优势而受到越来越多的关注，线性度指标是当前重点突破的关键参数。DARPA 于2017 年提出的OIP3/Pdc，将现有的约10 dB 的技术水平提高至1000 dB。复旦大学作为第三代半导体产业技术创新战略联盟CASA 的GaN 微波射频技术路线图(2020 年)的主要持笔单位之一，重点明确了GaN 射频器件的线性化技术路径[40]。目前，研究人员主要通过采用主从双沟道材料体系、FinFET 新结构器件降低栅源间的Racess电阻，避免载流子过早出现速度饱和，从而造成跨导下降[41-44]。

3.2 GaN 新型器件和工艺

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，有待继续研究和完善。HRL Laboratories 的MICOVIC 等[41]于2017 年报道了GaN材料的双异质结场效应晶体管（DHFET）。该种器件栅宽为40 nm，尺寸为4 μm×50 μm，DHFET 在V 波段（57～64 GHz）输出功率高达376 mW，附加效率为48%，漏极效率（DE）为57%，在59 GHz 时具有超过8 dB 的功率增益。LUO 等[46]于2017 年报道了基于E/D GaN HEMT 工艺制作的一款X 波段可承受高功率的5 位数控移相器。该移相器采用E-HEMT 器件制作逻辑控制电路，D-HEMT 器件制作移相器的微波开关。

LEBLANC 等[47]于2016 年报道采用GaN/Si 工艺制作了工作于Ka 波段、6 W 的PA 和工作于X 波段、1.2 dB 噪声系数的LNA。该工艺采用高阻P 型Si 为衬底，在上面制作GaN HEMT 器件和其他无源元器件结合而成。该器件截止频率高达105 GHz，在30 GHz时最大稳定增益高达14.5 dB，在40 GHz 的最小噪声系数为1.8 dB，相应的增益约为7.5 dB，连续波工作时输出功率密度高达3.3 W/mm，峰值功率高达5.7 W/mm，击穿电压高于40 V。

EBLABLA 等[48]于2015 年报道了基于150 mm 低阻硅（σ＜10 Ω·cm）衬底制作的高性能GaN HEMT 器件。该器件采用0.3 μm 的栅长，其截止频率为55 GHz，振荡频率为121 GHz，直流跨导达到400 mS/mm。

CHIU 等[49]于2016 年研制了一种硅基GaN ABM（Air-Bridged Matrix）HEMT 器件，采用的复杂材料和结构有效地抑制了自热效应。

GaN 新型器件的发展趋势清晰表明，GaN 器件将朝着更高功率密度、更低成本和更好的散热效果方面发展。

3.3 射频微系统

异构集成和异质集成是将多种不同材料的器件集成在一起，是丰富甚至重构出不同于现有单一材料MMIC 器件与工艺的新技术路线。DARPA 为了满足未来的需求和促进工艺技术的进步，提出了“地平线”计划，目标是微系统“效能增加100 倍、体积功耗降低为1/100”。DARPA 支持的相关计划有可重构毫米波阵列计划（SMART）、三维电磁射频系统计划（3D MERFS）、材料与硅的异质集成（HIMS）、垂直互联传感器阵列（VISA）、硅基化合物半导体材料（COSMOS）、多样可用异质集成（DAHI）项目计划等。在基于MMIC 的异构异质集成方面，主要有3 种主流方案：微纳米尺度组装工艺，外延层印刷工艺，单片外延生长工艺[50]。目前，诺斯罗普-格鲁曼公司、HRL 实验室和雷声公司代表了微系统集成的不同技术路线。

诺斯罗普-格鲁曼公司的异构集成方案主要利用3 种不同材料器件的优势，然后通过微纳米尺度的组装工艺将其集成在一起[51]。HRL 实验室的典型代表是外延层印刷异质集成技术方案[52]，它可以实现晶圆级集成，主要集成方式是将多种不同材料的晶圆通过堆叠的方式集成。雷声公司代表了单外延层生长工艺方案[52]，它是在同一衬底上制作不同的器件。目前诺斯罗普-格鲁曼公司的方案最为成熟，已经提供可供实际应用的工程方案，其他两类方案尚存在成品率的问题，有待改善。诺斯罗普-格鲁曼公司报道的一种采用异构集成技术的射频微系统已出现，该SOC 集成了Si CMOS、GaN HEMT 和InP HBT 3 种不同的器件，实现了计划的研究目的[51]。

4 总结

MMIC 的Si、SiGe、GaAs、InP 工艺和SiC 衬底的GaN HEMT 工艺仍将在未来一段时间内占有自己的位置，发挥自己的应用优势，同时在器件技术的推动下，都向着毫米波和太赫兹应用领域发展。第三代半导体GaN 材料、器件与MMIC 是研究热点，器件创新向多样化器件结构发展，器件工作特性呈现出更高的功率密度、低失真技术路线。基于MMIC 器件工艺的异构集成技术或异质集成技术将朝着实用化的方向持续改进和完善。