毫米波器件的发展和应用前景

2019-02-28 15:00:13      点击:

毫米波器件中能发挥各方面性能,归纳起来,即在微波功率产生及放大,控制、接收三个方面。而毫米波器件要求有尽可能大的输出功率和输出效率及功率增益以及化合物材料和异质结工艺的日趋成熟,三端微波器件取得令人瞩目的成就,使得MESFET、HBT以及HEMT(高电子迁移率晶体管)结构的各种器件性能逐年提高,与此同时,在此基础上构成的MMIC(单片集成电路)已实用化,并进人商品化阶段,使用频率基本覆盖整个微波波段,不仅能获得大功率、高效率而且噪声系数小。广泛应用于微波通讯系统、遥测系统、雷达、导航、生物医学、电子对抗、人造卫星、宇宙飞船等各个领域。随着微波半导体器件工作频率的进一步提高,功率容量的增大,噪声的降低以及效率和可靠性的提高,特别是集成化的实现,将使微波电子系统发生新的变化。表2是几种主要的三端微波器件目前的概况。


 

  毫米波器件设计要点:

 

  经过多年的发展,性能已接近理论极限,并且其理论和制造已非常成熟,这可为后继的第二代、第三代器件借鉴。主要由化合物半导体或合金半导体构成,需要两种禁带宽度不同的材料分别作为发射区和基区,宽带隙材料作发射区,窄带隙材料作基区。而在DHBT(双异质结双极型晶体管)时,集电区与基区材料带隙也不相同。为更加有效地利用异质结晶体管的特性,其结构也不再是普通的平面结构,而是采用双平面结构[1]。

 

  材料的选取及特性:

 

  虽然大部分毫米波器件被化合物功率器件占据,但化合物HBT在目前也存在着可用频率范围小、材料制备及工艺成本高、器件在这些材料上的集成度不高、机械强度小、在大功率情况下热不稳定现象严重并可能造成发射结陷落和雪崩击穿以及晶格匹配和热匹配等问题。

 

  自身具有良好的特性,与击穿电场、热导率、电子平均速度均更高,而且在异质结界面处存在着较大的导带不连续性、二维电子气密度大,沟道中电子迁移率高等优点,决定了InP基器件在化合物半导体器件中的地位和优异的性能。随着近几年对InP器件的大力开发和研制,有望在大功率、低电压等方面开拓应用市场,拥有更广的应用领域。

 

  毫米波器件不仅工作频率高,而且承受的功率大,即要求有大的电压和电流容量。提高电流容量需增加发射极总周长,并防止大电流下的发射结注入效率下降、有效基区扩展效应、发射极电流集边效应等。其中GTM是增益,f是带宽,fT是特征频率,le为发射极寄生电感,rb是基区电阻,CC是集电极电容。故要进一步缩小图形,减小结面积Ac以减小电容CC,由晶体管原理可知还要增加条长以提高电流容量,并减小rb。HBT理论(利用半导体材料带隙宽度的变化及其作用于电子和空穴上的电场力来控制载流子的分布和流动)的提出很好地解决了这些问题。由于HBT晶体管发射区材料的禁带宽度比基区大,对npn型HBT,其宽禁带的发射区势垒阻碍了基区空穴的注入,因而可在注入比不变的情况下提高基区掺杂浓度,降低基区电阻。

 

  作为功率器件,基区要求高掺杂,可降低基区电阻,并可产生良好的欧姆接触,从而降低接触金属的宽度,并能使基区宽度进一步缩小,这可提高频率特性。为了提高器件的频率响应,采用了竖直和外延结构优化组合达到高的,fmax值。对于SiGeHBT,Ge的含量必须很好设计,有利于提高器件的性能。最大的Ge成分是在E-B结一边,然后向B-C结渐变降低,是最合适的选择,大的Ge成分是出于考虑到合金散布限制了载流子迁移率的原因做出的选择,当前的研究表明35atom%左右(<40atom%)的Ge含量可使少子在基区的迁移率达到最大。

 

  未来毫米波器件的发展会集中在新材料、新工艺、新结构、新互连技术等方面,而新材料则是重点。由于对器件的设计从"掺杂二程"转入"能带工程",因此对半导体材料需要革命性的革新,而这正是目前器件及IC技术突破的瓶颈。对于微波功率器件,需要找到宽禁带、高热导率、高电子迁移率、高的击穿强度、低介电常数的材料,同时由于异质结的应用,必然会有晶格失配现象,故还需要有最小的晶格失配系数。由于SiGe与Si工艺的兼容性,我国应首先在SiGe合金的制备及SiGe/Si异质结特性的研制和HBT结构的研制上取得突破,可利用现成的Si工艺生产线实现产业化,从而实现第一代材料与第二代材料的平稳过渡。在其他新型材料(SiC、GaN、InP等)的研制和开发方面可采取开发与引进并行的策略逐步推进产业化进程,追赶国外先进水平。

 

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