时 翔，张 超

（1. 常州工学院，江苏 常州 213002；2. 南京理工大学，江苏 南京 210094）

毫米波化合物半导体材料研究进展

时 翔1，张 超2

（1. 常州工学院，江苏 常州 213002；2. 南京理工大学，江苏 南京 210094）

毫米波集成电路成为毫米波系统应用中必不可少的核心技术，化合物半导体材料砷化镓、磷化铟无疑在毫米波集成电路制造中占据重要地位，继砷化镓、磷化铟占据毫米波芯片衬底材料主流之后，以氮化镓材料为代表的第三代半导体材料逐渐成为目前国际毫米波芯片制造的材料研究热点。本文对以砷化镓、磷化铟、氮化镓为代表的毫米波化合物半导体材料技术及其发展，进行了总结与展望。

毫米波集成电路；化合物半导体；综述；砷化镓；磷化铟；氮化镓

30～300 GHz的毫米波技术在无线通信、汽车电子、雷达遥感、射电天文、航空安检等领域愈来愈不可或缺[1-3]。2011年起，美国运输安全管理局（TSA）授权国内各大机场使用唯一“先进成像安检技术”——美国 L-3公司提供的“Provision”毫米波安检系统。2015年Google向外界展示了“基于60 GHz毫米波技术打造创新手势互动体验”项目。2016年美国Verizon和 T-Mobile公司向美国联邦通讯委员会（FCC）提交了毫米波频谱测试实验牌照申请，同年，中国华为率先突破 60 GHz频段波束成形（Beam Forming）及非视距传输（NLoS）技术，在未来 5G技术中，将60 GHz毫米波技术作为优选。美国特斯拉（Tesla）汽车公司在2016年使用了以色列Mobileye公司的核心先进驾驶辅助系统（ADAS）技术，毫米波雷达芯片成为最核心的主流传感器方案之一，在中国百度公司的全自动驾驶系统中，毫米波雷达亦成为其多感知系统融合的重要传感器技术之一。

毫米波集成电路成为上述系统中必不可少的核心芯片。第一代半导体材料硅（Si）无疑在集成电路制造中占据重要地位，但在微波、毫米波集成电路的制造中，如表1所示，以砷化镓（GaAs）、磷化铟（InP）为代表的第二代化合物半导体材料以其饱和速度高、带隙宽等优良特性，占据目前毫米波集成电路制造材料的主流。继GaAs、InP之后，以氮化镓（GaN）材料为代表的第三代化合物半导体材料成为目前的研究热点。本文主要分析了以GaAs、InP、GaN为代表的毫米波集成电路制造用化合物半导体材料的研究进展现状与趋势。

表1 半导体材料的电学参数对比Tab.1 Electrical parameter comparison of semiconductor materials

1 GaAs和InP基化合物半导体

以GaAs为半导体衬底材料的毫米波集成电路，已广泛地应用于毫米波无线通信、探测与成像等领域，成为目前毫米波集成电路制造最成熟的半导体材料技术。但是更高频率应用以及多功能系统级芯片（SOC）集成技术等方面尚有许多应用有待拓展。InP半导体技术随着毫米波工作频率向着高工作频率和超高速发展而逐步走入应用，成为高频、高速、混合信号毫米波技术的主流趋势。

1.1 GaAs

GaAs在毫米波半导体材料技术中得到最广泛应用，与传统Si材料相比，高电子迁移率、宽禁带、直接带隙、消耗功率低的特点，使其特别适用于毫米波频率的集成电路设计与制造。图 1所示为一种GaAs衬底的高电子迁移率晶体管-异质结双极晶体管（HEMT-HBT）的横截面结构[4]，叠层结构包含HBT外延层上的HEMT层，E、B、C分别为HBT的发射极、基极和集电极，S、G、D分别为源极、漏极和栅极。

图1 GaAs HEMT-HBT的横截面结构Fig.1 Cross section of the stacked GaAs HEMT-HBT technology

美国于20世纪80年代中期启动了微波/毫米波单片集成电路研制计划，基于GaAs半导体材料，发展用于未来战场的灵巧武器系统、卫星通信中的微波、毫米波集成电路技术[5]。2010年，严蘋蘋等[6]研制了两级和三级2种毫米波（28～40 GHz）频率的单片低噪声放大器（LNA）；2011年，Yan等[7]基于100nm mHEMT技术，设计了两款集成了缝隙天线的混频器，两种混频器射频端都达到了185～202 GHz。如图2所示，单端混频器的插入损耗为8 dB，接收机增益达到了15.4 dB；单端平衡混频器的插入损耗为12.2 dB，接收机增益11.2 dB。2012年，Patterson等[8]介绍了一种60 GHz有源波束扫描的1×4接收机阵列，由4个与天线集成的GaAs LNA与3个GaAs单刀双掷（SPDT）组成。2014年，Chang等[9]介绍了一种基于 0.15 μm GaAs的 Ka波段压控振荡器（VCO），工作频率37.6～38 GHz。2015年，彭龙新等[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）多功能单片。

图2 GaAs基mHEMT（a）单端电阻式混频器，（b）单端平衡电阻混频器Fig.2 (a) single-ended resistive mixer and (b) single-balanced resistive mixer based on GaAs mHEMT technology

在毫米波波段内，GaAs器件的性能大大优于Si器件的性能，其良好的低噪声、大功率和宽频带特性，在过去数十年内，使它成为毫米波领域内最重要的半导体器件。

1.2 InP

InP基毫米波半导体材料是以InP单晶为衬底而生长的化合物半导体材料，与GaAs相比，其突出的特点是载流子迁移率高、击穿电场与电子平均速度更高，更具有高频、低噪声、高效率、抗辐照等特点，特别适用于毫米波高频率，因而成为W波段以及更高频率毫米波芯片衬底首选材料，并广泛应用于卫星、航空、军事等重要应用领域。

图3是应用于毫米波芯片电路的典型InP HBT工艺的截面图[11]。工艺采用低介电常数（εr≈2.65）的BCB介质层作为三级布线环境的夹层介质，同时包括MIM电容及薄膜电阻。通过BCB介质层（通常为1 μm）分离的M1和M2实现窄线宽和小间距的互连线，M3和M1是标准微带线结构，M3作为信号线，M1作为地线。

图3 InP HBT工艺的截面图Fig.3 Schematic cross section of InP HBT

InP基HEMT器件在噪声和功率方面的优势，特别适合于无线通信收发链路和低噪声放大的应用。2009年，Hirata等[12]发表了基于InP基HEMT技术实现的 120 GHz无线通信链路，实现了 11.1 Gbit/s的最大数据传输率。2015年，钟英辉等[13]基于自主InP HEMT工艺设计并制作了一款W波段单级LNA单片毫米波集成电路，如图4所示，该放大电路芯片在87.5 GHz处噪声系数为4.3 dB，88.8 GHz处饱和输出功率为8.03 dBm。国际上，商业应用的InP基LNA在94 GHz下的噪声系数仅为2.5 dB，增益达到19.4 dB。

图4 InP基HEMTs的W波段LNA芯片Fig.4 W band InP HEMTs LNA

随着InP基HBT技术的突破，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基双异质结双极晶体管（DHBT）工艺实现了5级300 GHz放大器，图5所示为采用该芯片集成的300 GHz放大器内部的显微照片。

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

随着InP材料的成熟和发展，其丰富的异质结构和极高的载流子迁移率，使其在更高频率领域的应用不断推进和发展。近年来，美国已启动了太赫兹波（THz）电子学研究计划，计划充分挖掘InP基材料在高频领域的优势，将InP电路的工作频率推进到太赫兹领域。2015年，Leong等[15]基于InP HEMT技术，研制了一种850 GHz的LNA，在850 GHz工作频率下，噪声系数11.1 dB，增益13.6 dB，如图6所示。可以预计在今后相当长的一段时间里，具有优异特性的InP基材料和电路将成为毫米波、太赫兹波研究的热点。

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

2 GaN基化合物半导体

GaN作为第三代半导体（宽禁带半导体）的代表，具有禁带宽、击穿场强高、电子饱和速度高、热导率高、性质稳定等特点，其器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上，特别适用于毫米波功率器件，广泛应用于毫米波频段的军事、航天等领域，成为新一代固态毫米波功率器件与材料研究的前沿热点，具有巨大的发展前景[16-17]。图 7所示为典型的GaN HEMT结构图，AlGaN/GaN异质结材料由绝缘或半绝缘衬底（SiC、Si等）、GaN、AlGaN组成。受自发极化效应和压电极化效应的共同作用，AlGaN/GaN 界面处存在高密度的二维电子气（2DEG），在源漏之间形成器件的导电沟道，器件通过改变栅极偏置大小来改变异质结界面处的2DEG浓度，从而改变源漏输出电流的大小[18]。

图7 GaN HEMT 基本结构Fig.7 Fundamental structure of GaN HEMT

2007年美国国防高级研究计划局（DARPA）的宽禁带半导体计划“WBGS”中，提出从材料、器件到集成电路三阶段在毫米波段对GaN基HEMT进行攻关，2009年，美国DARPA又启动了面向更高频率器件的NEXT项目，在4～5年内将器件的频率提高到500 GHz。

2009年，Masuda等[18]基于0.12 μm GaN HEMT共面波导技术研制了W波段的单片23 dB增益，3.8 dB噪声系数的毫米波 LNA芯片和输出功率 25.4 dBm的PA芯片。2011年，Quay等[19]基于100 nm GaN HEMTs技术，研制了60 GHz（150 mW输出功率)和94 GHz（22.8 dBm输出功率）的两款PA芯片。2013年，Weber等[20]报道了两款GaN基HEMT振荡器芯片，如图8所示。锁频振荡器65.6 GHz，VCO的调频范围为65.6～68.8 GHz，相对带宽达到5%。Oppermann等[21]于2014年报道了GaN基收/发前端集成模块，如图9所示，其中包括了两个SPDT、LNA、PA等GaN基芯片进行混合集成，收发共用一个天线，通过SPDT进行收/发切换。

图8 （a）锁频振荡器和（b）VCOFig.8 (a) Fixed frequency oscillator and (b) VCO

图9 GaN基收/发前端集成模块Fig.9 GaN based transceiver front-end module

在国内，2011年，刘果果等[22]报道了最大振荡频率为 200 GHz的基于蓝宝石衬底的 AlGaN/GaN HEMT。2012年，陶洪琪等[23]报道了GaN pHEMT的毫米波功率MMIC产品，输出功率密度可高达10 W/mm以上。2013年，任春江等[24]基于0.15 μm GaN HEMT技术，研制了一款Ka波段的PA芯片，其饱和功率达到10.64 W。2015年，宋建博等[25]基于标准的 SiC衬底 Al GaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)工艺研制了毫米波段单片微波集成电路(MMIC)芯片，研制的2级PA在27～30 GHz频段，工作电压为25 V时，输出功率大于2.6 W，功率附加效率大于15%，功率增益大于9 dB。

与GaAs、InP相比，GaN基毫米波器件表现出良好的击穿电压特性、高增益、高频段和较好的噪声特性，可以增大发射组件中PA的输出功率，实现更远距离的探测，而且可以增加接收组件中LNA以及收/发开关的承受功率和可靠性，更利于其在国防、航天以及无线通信的应用。在国内，2013年，由中科院微电子所牵头的国家自然科学基金重大项目“氮化镓基毫米波器件和材料基础与关键问题研究”通过验收。在国际上，2015年，美国爱国者防空与导弹防御系统采用雷声公司技术进行升级，GaN基有源电子扫描相控阵雷达技术取代了原来的GaAs技术。上述重大研发计划都预示着GaN基毫米波技术在未来毫米波技术发展中的重要地位。

3 结束语

近年来，各种新技术层出不穷，其中石墨烯由于其特有的高迁移率、良好噪声性能等特点，在LNA应用中有很大的优势，能广泛应用于W波段以及以上的毫米波单片集成电路中，特别适合于毫米波成像、超宽带通信、雷达及电子战系统等。2014年，美国高技术局（DARPA）在其官网宣布，基于互补金属氧化物半导体（CMOS）技术研发成功一种全Si单片集成的94 GHz发射/接收芯片，用于未来战场无线通信。从当前市场占有率来说，GaAs材料和InP材料仍然是毫米波单片集成电路的主流衬底材料，GaN由于其高功率的特点，重点应用在军事与航天领域，随着对毫米波无线通信距离增大的需求，GaN基毫米波技术也逐渐进入工业应用。随着毫米波技术逐渐占据未来5 GHz通信、汽车电子等重要领域，全Si集成的CMOS 毫米波SOC技术势必将逐渐成为主流。

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（编辑：陈丰）

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

时翔

江苏省科技项目资助（No. BRA2015076）

时翔（1974-），男，江苏宿迁人，副教授，博士，研究方向为微波、毫米波技术，E-mail: shix@czu.cn 。

时间：2016-11-29 11:30:51

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