摘要
毫米波功率放大器是衛星通信系統、多媒體無線系統、高速WLAN和高速無線個人區域網絡(WPAN)中的重要器件。本文從GaAs、GaN、InP技術分別綜述了近年來國內外對毫米波波段功率放大器芯片的研究情況,介紹了相關的現有產品,并展望了毫米波波段MMIC功放發展的趨勢。
關鍵字: GaAs、GaN、InP、MMIC、毫米波功率放大器
一、引言
消費者對無線數據傳輸速度的需求看似是無止境的。這提高了點與點無線連接的工作頻率也為毫米波放大器設計提供了更多的機會。載波頻率與數據傳輸速率的關系如下圖所示。隨著工作頻率的增長,可以使用的器件在減少,而器件和實驗設備的成本卻很高。
對于毫米波放大器的最大應用是對于移動通信中的點與點連接。在6-40GHz范圍的微波點與點連接已經是很成熟的技術。對于毫米波(>30GHz)放大器,大約在38GHz的產品已經有很多了。
在60GHz左右的波段很有意義。在美國這是最廣泛且靈活的分配,在57GHz到64GHz頻帶內是可以不注冊而使用的。對于60GHz波段通常使用在戶外媒體點對點連接、高速WLAN和高速無線個人區域網絡(WPAN)。60GHz頻段最大的特點是由于氧氣的吸收而有較大的大氣衰減。這雖然減短了實際的傳輸距離,但這常常視作減少干擾和頻譜在利用的好處。然而,對于高速WLAN/WPAN應用,60GHz的頻段是很具吸引力的選擇。在這種情況下,潛在產品量會很多,由于所需的性能(如:噪聲系數、線性度、發射功率)低于點與點的連接且價格也會比較低。這些因素可以得出這樣的結論:這種應用很有可能由高集成度的硅收發機所主導。對于輸出低功率、小型化、低價格的MMIC放大器這會起到一定的作用。
60GHz毫米波通信的研發工作正日益活躍起來。該技術面向PC、數字家電等應用,能夠實現設備間數Gbps的超高速無線傳輸。在業內多家廠商的積極推動下,毫米波通信今后的應用將會不斷擴展。英特爾公司首席工程師Alexander Maltsev就表示:“幾年后,毫米波通信無疑將會變得不可或缺。”這一技術目前面臨的問題是元器件成本較高。毫米波通信現在主要用于實現家庭內的非壓縮高清視頻傳輸,如果其應用能擴展至手機及辦公設備,那么,隨著出貨量的增加,其成本將能夠大幅降低。PC、WLAN以及便攜設備等行業的眾多廠商都對毫米波通信寄予厚望的最大原因是該技術能夠提供較寬的帶寬。在60GHz頻段內,全球無需許可即可免費使用的帶寬可達7GHz~9GHz。
在71GHz到76GHz和81GHz到86GHz的E波段也同樣得到了很大的關注。愛立信2010年2月在巴塞羅那的Mobile World Congress 上,全球第一套容量達到2.5GBPS的E波段(70GHz/80GHz)微波系統得到了完美演示。其特性為:
系統容量:用單一的無線單元傳輸全雙工的以太業務容量:1-2.5GBPS。系統頻率:具有寬信道帶寬的全新頻段E頻段(70GHz/80GHz)。
傳輸站距:短于3公里的傳輸技術(對降雨敏感)。
系統應用:大容量城區內短距離傳輸。
盡管E波段有很大的吸引力,但是只有當儀器設備的價格下降到可以接受的范圍才會大范圍的應用。
W 波段功率放大器是超寬帶無線通信、汽車雷達和電子戰系統中的核心部件。國外研究機構已經有大量基于GaAs和InP材料HEMT、HBT器件的W波段功率放大器MMIC的報道。國內的相關研究和應用則處于初級階段。
二、基于GaAs技術的功率放大器
2.1、GaAs材料和器件發展現狀
目前,以砷化鎵(GaAs)為代表的化合物半導體高頻器件及電路技術已經進入了成熟期,已被大量應用于高頻通信領域,尤其是移動通信和光纖通信領域,到2009年其市場規模已經達到了45億美元。隨著GaAsIC制造成本的大幅度下降,它們在功率放大器、低噪聲放大器和射頻開關電路在移動通信RF前端占據了主要地位,手機與移動基站的芯片是GaAsIC最大的市場,約占其市場份額的45%左右;隨著DWDM驅動光纖通信容量的增加,GaAsIC在SONET芯片方面的需求大幅度增加,其市場份額大約為22%。
國際上生產民用GaAs器件及電路的代表性企業有美國的VITESSE、TRIQUINT、ANADIGICS、MOTONOLA、LUCENT、ALPHA、AGILENT、HP;日本的NTT、Oki、Fujisu;德國的西門子;臺灣的穩懋、宏捷、全球聯合通訊以及尚達等。他們生產的主要產品是移動通信射頻電路(如GaAs手機功率放大器和低噪聲放大器電路等)以及光纖通信發射和接收電路(如GaAs激光驅動器、接收器、復用器及解復用器、時鐘恢復電路等)、微波功率晶體管及功率放大器等各種系列的產品。
我國2004年后,GaAs材料和器件進入高速發展期,國內成立了以中科稼英公司、中科圣可佳公司為代表多家GaAs單晶和外延材料公司,開始小批量材料供應,并取得一定的市場份額。中科院微電子所通過自主創新率先在國內建立了4英寸GaAs工藝線,并成功地研制出10Gb/s激光調制器芯片等系列電路。傳統的器件研制單位中電集團13所和55所通過技術引進完成2英寸到4英寸工藝突破,初步解決Ku波段以下的器件和電路的國產化問題,其中8-12GHzT/R組件套片已成功地應用大型系統中,但在成品率、一致性、性價比等方面尚存在一定的差距,在民品市場中尚缺乏競爭力。Ka波段以上的GaAs器件和電路尚沒有產品推出,嚴重地制約了我國信息化建設。
2.2、基于GaAs技術毫米波波段MMIC功率放大器芯片發展及現狀
2.2.1、MMIC功率放大器芯片發展
1976 年,由Pengelly 和TUrner利用GaAs襯底的半絕緣性質,成功研制了X波段的GaAs MESFET單片低噪聲放大器,標志了MMIC的實現。從GaAs MESFET放大器的出現開始,毫米波三極管放大器以及放大器單片集成電路得到了迅速發展,相應的新材料、新工藝、新器件和新的設計技術層出不窮,并仍在不斷取得進展,為集成化的毫米波收發前端和各功能組件的研制和批量生產奠定了堅實的基礎,極大地推動了毫米波系統的研究和應用。
由于最早誕生的微波三端功率器件是GaAs,所以早期的MMIC功率放大器電路研究都是采用這種有源器件。但是隨著器件工藝的不斷發展,pHEMT等HFET(異質結結構場效應管)器件在效率和增益等性能方面超越了MESFET器件。近年來,有不少關于兩類器件性能對比的研究報道,例如在1996年,TI公司的RonYarough等人[1]就對采用這兩種工藝設計的功率放大器進行了研究。他們先是采用0.25umAlGaAs/InGaAs pHEMT工藝,設計了一個三級功放電路。在26.5-28GHz頻段上,經測試至少有1W的連續波輸出功率,20dB的增益,平均PAE (功率附加效益)是35%,最高PAE值是37 %。然后再將此用pHEMT技術設計的電路,不修改電路結構,直接用0.2um離子植入式(ion-implanted)MESFET工藝流程制造出來,在同樣的頻段上測得的連續波輸出功率至少為1W,18dB的增益,平均PAE值是24%,最高PAE值是27%。對比兩種電路芯片的測試結果,可以發現這兩種放大器在26.5-28GHz頻段都可以得到至少lW的輸出功率,雖然考慮到商業應用時,0.2um離子植入式MESFET工藝較0.25um pHEMT的成本要小,但前者會損失2dB的增益值和9-13%的PAE值。在獲得相同的輸出功率的情況下,MESFET工藝在效率和增益上都略遜于pHEMT。
2.2.2、MMIC功率放大器芯片國外進展及現狀
微波功率器件要求有盡可能大的輸出功率,而隨著工藝的發展與電路設計技術的提高,在 毫米波波段內輸出功率能達到lW以上的報道也不斷出現。在1997年,TRW公司的D.L.Ingeam等人[2]介紹了一個用于收發機中的輸出功率達到6W的功放模塊。它采用0.25umAlGaAs/InGaAs HEMT工藝進行加工。電路分為兩個部分:前級驅動模塊和后級輸出模塊。前者采用兩級電路結構,在34.5GHz取得ldB壓縮點輸出功率為27dBm,PAE值為27%,增益為10.7dB,電路的尺寸為4.0xl.5mm2 ;后者是由兩個功率放大器單元電路并聯構成的,單個功率放大器單元電路在在34.5GHz取得ldB壓縮點輸出功率為35.4dBm,PAE值為28%,增益為1 1.5dB,電路的尺寸是4.8x3.1mm2。后級輸出模塊在輸人端采用插人損耗為0.4dB四路功率分配器,輸出端則采用了插入損耗為0.6dB的八路Wilkinson功率合成器。經測試,整個電路模塊在35.4GHz取得的ldB壓縮點輸出功率為37.8dBm,PAE為24%,增益為21.5dB。但是需要指出的是,雖然輸出功率達到6W,可是由于電路分成了兩個獨立的模塊,在將電路商業化應用時,從減小電路模塊的尺寸和降低芯片成本方面考慮,電路仍需要改進。
GaAs MHEMT是在溝道層與GaAs襯底之間生長一個相對較厚的InAlAs層,其In的組分從某個值x漸變至0,從而使晶格的失配得以緩解。使用漸變組分緩沖層后,溝道層中In的組分x在30 %~60 %內幾乎可以任意選擇,以極大的自由度使器件性能優化MHEMT可認為是GaAs襯底上的InP HEMT技術,其在低噪聲方面表現出與InP HEMT相近的性能,是以GaAs相對低成本獲得InP的絕對高性能,從而可使GaAs站穩毫米波的低端,進而形成搶占毫米波高端領地的競爭態勢。2003年美國Raytheon公司采用GaAs MHEMT工藝研制成功95GHz功率放大器[3],2005年W波段MHEMT功率放大器的輸出功率達到267 mW[4]。在70~110 GHz中,大尺寸GaAs HEMT放大器的最高輸出功率是200~400 mW[5]。
當前,Northrop Grumman公司在E波段和W波段功率放大器芯片產品如下所示[8]:
2.2.3、MMIC功率放大器芯片國內進展及現狀
國內雖然在pHEMT MMIC方面起步較晚,但是近年來,一些從事毫米波電路與系統的高校和研究所在毫米波波段GaAs pHEMT的研究取得了一定的進展。
2001年,南京電子器件研究所的陳新宇等人。采用自行研發的0.2umGaAs pHEMT器件工藝,制作了單級的功率放大器[6]。電路在34GHz處可以取得100mW的輸出功率,功率增益為14dB。2006年,中科院上海微系統與信息技術研究所的顧建忠等人[7]報道了一個采用0.25umGaAs pHEMT工藝設計的放大器芯片[8]。電路采用一路功放驅動兩路功放,兩路功放再驅動四路功放的三級結構。芯片的面積為2.6 x3mm2,在31.5-32.5GHz頻段內,小信號增益為17.4dB,飽和輸出功率為0.5W。石家莊十三所實現了分別實現了頻段為26-31GHz,輸出功率為36dBm,增益為16dB,PAE為22%,以及頻段為34-36GHz,輸出功率為35.5dBm,增益為16dB,PAE為18%的單片功率放大器。由于國內關于Q、W波段的MMIC相關的文章幾乎很難找到,對于這方面就很難進行國內外的比對了。
三、基于GaN技術的功率放大器
3.1、GaN材料和器件發展現狀
氮化鎵(GaN)作為第三代寬禁帶半導體的代表,具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強等優點,器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上。由于其高頻率、高功率、高效率、耐高溫、抗輻射等優異特性,可以廣泛應用于微波毫米波頻段的尖端軍事裝備和民用通信基站等領域,因此成為全球新一代固態微波功率器件與材料研究的前沿熱點,有著巨大的發展前景。
GaN基HEMT結構材料和器件是當前國際上及其重視的研究方向。以美國為首的西方國家都將GaN基微波功率器件視為下一代通訊系統和武器應用的關鍵電子元器件,并設立專項研究計劃進行相關研究,如美國國防先期研究計劃局(DARPA)的寬禁帶半導體計劃“WBGS”,提出了從材料、器件到集成電路三階段的研究計劃,并組織三個團隊在X波段、寬帶和毫米波段對GaN基HEMT及其微波單片集成電路(MMIC)進行攻關。在寬禁帶半導體計劃取得重要進展的基礎上,美國DARPA在2009年又啟動了面向更高頻率器件的NEXT項目,預計4-5年內將器件的頻率提高到500GHz。目前,在GaN基微電子材料及器件研究領域,美國和日本的研究處于世界領先水平,美國主要研究機構有UCSB大學、Cree公司、APA公司、Nitronex公司、Cornell大學、USC大學等,日本的主要研究機構有名古屋理工學院、NEC公司、Fujitsu公司和Oki公司等。2003年,ITRS roadmap中指出:GaN基器件在高偏壓、大功率、大功率密度等應用領域具有巨大潛力,是功率器件固態化的首選。德國夫瑯和費固態物理應用學會也在2005年的年度報告中指出:由于GaN基HEMT器件具有的大動態范圍和良好的線性,它將成為未來更大功率的基站、雷達系統使用的功率器件。經過近十年的高速發展和投入,GaN功率器件和電路取得令人矚目的成就,主要在寬帶、效率、高頻三個領域全面超越GaAs器件,成為未來應用的主流。同時,長期困擾GaN功率器件實用化的瓶頸:可靠性問題,隨著材料、工藝和器件結構等技術水平的提高,已實現了MTTF達到108小時。2010年,美國Triquint公司宣布推出3英寸GaN功率器件代工線服務,并發布了覆蓋2-18GHz的系列器件和電路,這標志著GaN產品時代正式到來。
國內建立了四條GaN功率器件研制線,研制出覆蓋C-Ka波段系列內匹配器件和電路。X波段和Ka波段器件輸出功率密度分別達17W/mm和3W/mm以上;8-12GHz GaN MMIC脈沖輸出功率20W,功率附加效率為32%;15-17GHz GaN MMIC脈沖輸出功率17W,功率附加效率為27%;Ku波段內匹配器件脈沖輸出功率20W,功率附加效率大于25%;Ka波段MMIC脈沖輸出功率達到3W,W波段器件fT大于174GHz、fmax為215GHz。上述器件和電路的技術指標達到國際先進水平,但在可靠性方面尚存在一定的差距,目前處于樣品階段。2011年,我國重大專項啟動“中國寬禁帶半導體推進技術”,重點開展3英寸GaN器件工藝線建設和器件可靠性推進工程,最終實現“用的上、用的起”GaN功率器件和電路,實現與國際的同步發展和競爭。
3.3、基于GaN技術毫米波波段MMIC功率放大器芯片發展及現狀
在高頻率方面,美國HRL實驗室報道了12路GaN MMIC波導合成的毫米波功率放大器模塊,在95GHz下,輸出功率超過100W的GaN MMICs功放合成模塊;2011年,美國Raytheon公司報道了三款分別針對于高效率、高增益、高輸出功率的毫米波GaN MMIC電路,在95GHz下,最高增益為21dB;在91GHz下,最高PAE大于20%;在91GHz下,最高輸出功率為1.7W。
在寬帶電路方面,實現了2-18GHz和6-18GHz寬帶GaN微波功率單片電路,連續波輸出功率達到了6-10W,功率附加效率為13%-25%;在高效率方面,X波段MMIC輸出功率20W,功率附加效率達到了52%。X波段內匹配功率器件脈沖輸出功率60.3W,功率附加效率高達43.4%。2011年,Hossein報道了3.5GHz下的功率器件,效率達到80%。2010年M.Roberg研制的F類功率放大器件,在2.14GHz,輸出功率8.2W,效率達到84%;
目前HRL(Malibu,California)已經報道了輸出功率可達0.5 W 工作頻率在W波段(可達95GHz)的MMIC,毫無疑問目前HRL是GaN技術在毫米波中高頻段應用領域中的佼佼者。已經投入商業應用的產品如下所示[12]:
相對于國外的發展,國內由于受到設計水平和半導體工藝水平的限制,主要應用還是以內匹配器件和氮化鎵功率模塊為主。而關于氮化鎵單片電路的研究,只有南京電子器件研究所陳堂盛、張斌[10]等和中國電子科技集團公司第十三研究所張志國等[11]人有所報道。
四、基于InP技術的功率放大器
4.1、InP材料和器件發展現狀
4.1.1、國際發展狀況
InP基半導體材料是以InP單晶為襯底而生長的化合物半導體材料,包括InGaAs、InAlAs、InGaAsP以及GaAsSb等材料。這些材料突出的特點是材料的載流子遷移率高、種類非常豐富、帶隙從0.7到將近2.0eV、有利于進行能帶剪裁。InP基器件具有高頻、低噪聲、高效率、抗輻照等特點,成為W波段以及更高頻率毫米波電路的首選材料。InP基三端電子器件主要有InP基異質結雙極晶體管(HBT)和高電子遷移率晶體管(HEMT)。衡量器件的頻率特性有兩個指標:增益截止頻率(fT)和功率截止頻率(fmax)。這兩個指標決定了電路所能達到的工作頻率。InP基HBT材料選用較寬帶隙的InP材料作為發射極、較窄帶隙的InGaAs材料作為基極、集電極的材料根據擊穿電壓的要求不同可以采用InGaAs材料或InP材料,前者稱為單異質結HBT,后者稱為雙異質結HBT,且后者具有較高的擊穿電壓。InP基HEMT采用InGaAs作為溝道材料、InAlAs作為勢壘層,這種結構的載流子遷移率可達10000cm2/Vs以上。
InP基HBT的突破是在本世紀初,美國加州大學圣巴巴拉分校的M.Rodwell領導的研究組率先將InP基HBT的fT和fmax提高到200GHz以上。其后采用采用轉移襯底技術實現的HBT,fT為204GHz,fmax超過1000GHz;2007年,Illinois大學制作成功發射極寬度為250nm的SHBT,其fT超過800GHz,fmax大于300GHz;為了解決SHBT中擊穿電壓低的問題,2008年UCSB設計實現了無導帶尖峰的雙異質結HBT(DHBT),fT突破500GHz,fmax接近800GHz,擊穿電壓大于4V;采用GaAsSb基極,與發射極和集電極的InP材料形成II-型能帶結構的InPDHBT的fT大于600GHz,并具有很好的擊穿特性。在器件突破的同時,國外的InP基單片集成功率放大器(PA)、和壓控振蕩器(VCO)的工作頻率都被推進到300GHz以上。據報道,國外毫米波段(100GHz)的系統已經進入實用化階段,頻率高達300GHz的演示系統也已出現。
4.1.2、國內發展狀況
我國InP基材料、器件和電路的研究起步較晚,近些年取得了長足的進步。在InP單晶方面,國內擁有20多年研究InP單晶生長技術和晶體襯底制備技術的經驗和技術積累,已經實現了2和3英寸的InP單晶拋光襯底開盒即用,其位錯密度等方面與國外襯底材料相當,近年來一直為國內外用戶批量提供高質量2和3英寸InP單晶襯底;在外延材料方面,中科院在InP襯底上實現了InP基HBT和HEMT器件結構,并突破了復雜結構的HBT材料的生長,實現了高質量的InP基HBT外延材料,生長的InP基HEMT外延材料的載流子遷移率大于10000cm2/Vs,并已實現了向器件研制單位小批量供片;在器件研制方面,2004年前主要開展InP基光電器件的研制,如肖特基二極管、光電探測器等。2004年隨著973項目“新一代化合物半導體電子材料和器件基礎研究”的啟動,InP基電子器件和電路的研究才逐漸得以重視,目前中科院和中電集團先后在3英寸InP晶圓上實現了亞微米發射極寬度的InP基HBT和亞100nmT型柵的InP基HEMT器件,截止頻率超過300GHz。
中國電子科技集團第十三研究所,2009 年采用中國電子科技集團第十三研究所工藝線,研制出一款工作在80GHz~102GHz的W波段InP基寬帶單片低噪聲放大器,該單片采用晶格匹配InP HEMT材料,放大器在整個帶內增益大于19 dB,噪聲系數小于5dB,在83 GHz~86 GHz頻率范圍內,噪聲系數小于3dB。
中國科學院微電子研究所微波器件與集成電路研究室(四室)InP HBT 小組再傳捷報,其設計制作的InP DHBT振蕩頻率達到305 GHz,打破了由其先前在國內創造的253 GHz 的記錄,在該領域的研究上,不僅在國內取得了絕對的領先優勢,而且在頻率和功率綜合指標上已經接近國際先進水平。在科技部973項目和中科院重要方向性項目的支持下,微電子所“百人計劃”學者金智研究員率領InP HBT 小組科研人員刻苦攻關,采用傳統的三臺面式的器件結構和發射極基極自對準、BCB 平坦化等工藝,在器件頻率及成品率、一致性方面取得較大突破。研制成功的共基極四指并聯InP/InGaAs/InP 雙異質結三極管(DHBT)器件的性能得到極大的優化,不僅將擊穿電壓提高到7 V,飽和電流提高到100 mA,直流參數的最大輸出功率提高到80 mW;而且在頻率上更上一層樓,最大振蕩頻率突破305 GHz。這一結果發表在《Solid-State Electronic》上,是目前為止國內唯一一篇在國外文獻上報道的、器件頻率超過300 GHz 的文章。
4.3、基于InP技術毫米波波段MMIC功率放大器芯片發展及現狀
雖然HEMT放大器技術在W及以上波段得到廣泛的應用,但是HBT由于其固有的低1/ f噪聲也成為一種優選技術。2003年Y.Wei[9]仍采用轉移襯底InPHBT技術,又研制了75GHz的80mW InP DHBT功率放大器;2006年報道的70 nm InP HEMTMMIC G波段功率放大器[13],采用四級放大,在175-191GHz,輸出20 W,184GHz,峰值25 mW,功率附加效率9. 5%,是G波段固態放大器MMIC報道最好結果。InP低噪聲放大MM IC的工作頻率已達到235GHz,I nP HEMT器件和電路已成為目前毫米波高頻性能最好的器件。HRL廠商已經投入商業應用的產品如下所示:
參考文獻
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