InP基/GaN基器件與電路在微波毫米波領域“大顯身手”

項目資助：超高頻、大功率化合物半導體器件與集成技術基礎研究（項目編號：2010CB327500）

你知道現代戰爭是依賴什么布下天羅地網，獲取地方信息并實行精確打擊的嗎？知道天氣預報是靠什么探測氣象信息嗎？知道為什么飛機可以在漆黑的夜空安全飛行嗎？對，就是因為雷達——奇特神秘的超視距眼睛。它自投入軍旅以來，便用無形的手左右著戰局，如今，已經成了影響現代戰爭的關鍵因素之一。而化合物半導體集成電路的出現順應了現代雷達（毫米波雷達）的發展需求，尤其是磷化銦（InP）基和氮化鎵（GaN）基器件與電路，成為了雷達信號發射和接收的“樞紐”。

首先，我們來看一則關于雷達的軍事案例，由此引出微波毫米波應用領域對材料選擇的思考。

“1981年1月下旬的一天，從哈塔米空軍基地起飛的兩架伊朗空軍的 F-14戰斗機正在波斯灣西南空域巡邏飛行。在大約中午時分，伊朗地面雷達站捕捉到一個目標，目標在海灣西南空域上空，飛行高度在海平面上約100到200英尺，正在高速向布什爾方向移動。地面雷達指示F-14向目標飛去，此時，F-14長機雷達也發現了同一個目標并將其鎖定。在確認了30英里以外正以極低高度飛行的目標是敵機以后，F-14長機發射了一枚AIM-54A‘不死鳥’空空導彈，‘不死鳥’擊中了伊拉克蘇-22戰斗機的機身中部，將其截為兩段；隨后長機上的雷達操作飛行員報告說看到一個火球墜入大海，確認是那架低空飛行的蘇-22。此時，僚機飛行員發現了第二架蘇-22，這架敵機此前沒有被地面雷達發現，正當F-14要展開攻擊的時候，第二架蘇-22逃離了‘雄貓’的火力范圍。“從上述案例可以看出，借助雷達更遠更早地發現敵方可以為攻擊贏得先機，也能為逃走贏得時間。

那什么樣的現代雷達能夠比敵人更早地發現對方？又如何盡可能的隱藏自己呢？這需要進一步了解雷達的工作原理及其核心組成部分。

雷達通過天線發出無線電波，無線電波遇到障礙物就反射回來，顯示在熒光屏上，這樣就可以判斷目標的形狀、結構、位置以及移動速度等，無論障礙物處于高空，深海還是地下都可以探測，即使是隱身目標。神秘的雷達系統是怎樣發射和接收無線電信號的呢？雷達內部都有產生高功率輻射信號的雷達發射機，利用信號接收和功率放大模塊實現信號的接收和發射。最簡單的發射/接收組件只有單端口作為發射輸出和接收輸出，它的工作原理和手機類似，在接收信號時，要保證接收到信號足夠的干凈，類似于接電話時要求聽到他人的聲音比較清楚，此過程中起主要作用的是低噪聲放大器。而在發射信號時，我們希望發射更大功率的無線電信號，這樣就能探測到更遠距離的敵方情況，此過程中起主要作用的是功率放大器，然而大功率發射機的截面會更大，這在戰爭中是非常危險的，目標越大就越容易被敵方探測到！所以，執行信號接收和發射模塊的核心器件的選擇變得至關重要，它在很大程度上決定了雷達的探測能力和隱身能力。

目前，固態相控陣毫米波雷達以其超強的性能成為各方研究的焦點。其主要優點在于，較短的波長容易實現較窄的波束寬度，從而在目標監視方面有高的分辨力和跟蹤能力，能夠用小尺寸天線獲得更清晰的信號，極寬的可用頻帶便于提高分辨距離的能力，且提高了抗干擾性。隨著毫米波雷達在制導中的應用，極大地提高了精確制導武器的命中概率和抗干擾能力。這對組成雷達核心功能的組件提出了更高的要求，尤其在高頻率和大功率方面的要求。而磷化銦（InP）基和氮化鎵（GaN）基器件與電路的出現順應了毫米波雷達的發展需求，以其在超高頻、大功率、抗輻照、耐高溫等方面的優良特性，逐漸成為信號接收和功率放大模塊的“香饃饃”。

事實上，歸屬于III-V化合物半導體材料的InP和GaN器件用肉眼是難以看清楚的，這么微小的器件為什么能滿足現代雷達對超高頻和大功率方面的需求呢？我們來看看它都有哪些神奇之處吧。

所謂III-V族化合物半導體，是指元素周期表中的III族與V族元素相結合生成的化合物半導體，主要包括鎵化砷（GaAs）、磷化銦（InP）和氮化鎵等。其中以砷化鎵技術較成熟，商業應用也較廣。此類材料具有閃鋅礦結構。鍵結方式以共價鍵為主。由于五價原子比三價原子具有更高的負電性，因此有少許離子鍵成份。正因為如此，III-V族材料置于電場中，晶格容易被極化，離子位移有助于介電系數的增加，電場頻率在紅外線范圍。InP和GaN材料的n型半導體中，電子遷移率分別為10000cm2/v﹒s和2000cm2/v﹒s，飽和速度分別為2.3×107cm/s和2.7×107cm/s，遠大于Si的電子遷移率1450cm2/v﹒s和飽和速度1×107cm/s，因此電子運動速度更快，比半導體Si更適合高頻和高速領域的應用。同時InP和GaN材料的工作溫度可以高于500℃，遠大于Si材料工作溫度300℃，非常適合戰場環境和空間通信應用。另外，GaN材料還具有超高的擊穿場強（3.3MV/cm）和更寬的禁帶寬度（3.49eV），全面超過Si材料的0.3MV/cm和1.1eV，具備大功率應用和抗輻照應用的潛力；GaN材料的原子結合鍵強、化學特性很穩定（幾乎不被任何酸腐蝕），導熱能力好，因此能適應惡劣的工作環境。除了材料本身的特殊性質外，還得益于新型材料與器件的結構設計。典型的微波器件有高電子遷移率晶體管（HEMT）和異質結雙極型晶體管（HBT）。HEMT器件包含的基本外延層結構：隔離層、高摻雜層和勢壘層為同一種寬禁帶材料；溝道材料為窄禁帶材料。由極化、摻雜等多種因素產生的自由電子，從能量高的地方轉移到能量低的地方，并在材料的某些界面形成高濃度的二維電子氣，它就像是具有一定厚度的導電層，這層導電層與形成導電層的離子實現了空間上的分離，從而減小了電子移動的阻礙作用，使得導電載流子遷移率高，噪聲小。電子遷移率高，說明器件傳輸信號的速度可以很快，工作頻率就越高。高濃度高遷移率的電子在電場作用下高速定向移動，就會產生很大的輸出電流密度。若材料還具有較高工作電壓（比如GaN材料），則為單位面積大功率輸出和器件微型化提供了可能，可應用于低噪聲放大器、功率放大器等。HBT器件區別于傳統的雙極型晶體管，其基極/發射極結和基極/集電極結均為兩種不同材料形成的PN結，具有功率密度高，相位低，線性度好的特點，主要應用于功率放大器、振蕩器、混頻器、環形器等。

看了這些是不是覺得InP、GaN這些新奇的東西離我們的生活很遠？其實當你拿起電話和遠在天邊的朋友侃侃而談，打開電腦上網沖浪獲取各種有價值無價值的信息的時候，微波功率放大器等多種類型器件和電路就在作為忠實的信使默默地幫你傳遞信息。不過，是不是有這種情況，當你進入山區或者偏遠的地方時，手機沒有信號了？這是因為手機基站的信號覆蓋面積和發射功率不夠大引起。是不是你們還在為上網速度慢，網絡帶寬窄而犯愁呢？InP基和GaN基微波器件將為您帶來新的希望和體驗……

我們以GaN為例說明移動通信的前景。移動通信基站將信號放大發射到空間，以便于遠距離的接收設備接收到滿意的信號電平。若GaN基微波功率放大器用于通信基站，可以將手機基站的功率密度提高到現在的硅芯片技術的兩倍或者三倍，因此可以用較少數量的基站覆蓋同樣的地區，更可能的情況是，在基站數量不變的情況下提供更高的數據信號傳輸速率。相比以往材料而言，GaN微波器件工作電壓更高，工作溫度更高，簡化了基站系統結構，并省去許多制冷設備，整個基站有可能縮小到只有小型電冰箱的大小，可以安裝在電線桿上，而不必占據電話公司中心局中昂貴的空間。所謂“一代材料，一代器件”，而對于用戶而言更是“一代體驗”。

那么我們來看看，未來將在哪些民用領域可能出現InP和GaN器件的地方呢？

第一、汽車光電子市場，目前汽車防撞雷達已在很多高檔車上得到了實用，將來肯定會越來越普及。汽車光電子市場，目前汽車防撞雷達已在很多高檔車上得到了實用，將來肯定會越來越普及。由于汽車防撞雷達一般工作在毫米波段，所以肯定離不開磷化銦，它的中頻部分才會用到鍺硅，由于全球汽車工業十分龐大，所以這是一個早晚必定會發生的巨大市場。

第二、新一代光纖通信技術。新一代的40Gbps光通信設備不久肯定會開始裝備，40Gbps的光通信設備會代替 25Gbps設備投入大量使用。而這些設備中將大量使用磷化銦、砷化鎵、鍺硅等化合物半導體集成電路。

第三、移動通信技術正在不斷朝有利于化合物半導體產品的方向發展。目前二代半（2.5G）技術和第三代（3G）技術已成為移動通信技術的主流。二代半技術和3G技術對功放的效率、散熱、帶寬、線性度已有新的要求，不過砷化鎵技術、鍺硅技術仍可以滿足。如今第四代（4G）的概念己明確提出來。4G技術對手機有更高要求。它要求手機在樓內可接入無線局域網（WLAN），即可工作到2.4GHz和5.8GHz，在室外可在二代、二代半、三代等任意制式下工作。因此這是一種多功能、多頻段、多模式的移動終端。從系統小巧來說，當然會希望實現單芯片集成（SOC），但單一的硅技術無法在那么多功能和模式上都達到性能最優。要把各種優化性能的功能集成在一起，只能用系統級封裝（SIP），即在同一封裝中用硅、鍺硅、InP等不同工藝來優化實現不同功能。另外，4G對無線基站也提出更高要求，希望信號發射能力更強，帶寬更寬，體積更小等，這也為GaN的應用提供了平臺。

盡管InP和GaN器件與電路擁有美好的應用前景，但目前階段還有諸多問題和挑戰亟待研究人員解決。由于化合物半導體集成電路工藝與傳統硅基電路不兼容，材料成本和工藝成本都較昂貴，成品率較低，所以發展與硅基工藝兼容的技術路線是一種趨勢，有利于降低成本，實現民用化和商業化。同時材料單晶缺陷比硅高，需要進一步提升材料品質。雖然它們在高溫應用領域比硅強，但為了滿足超高功率應用需求，仍然要解決高溫和高場下可靠性問題。因此，InP、GaN基器件與電路要像半導體硅一樣普及應用，并互為補充，仍有待研發技術的不斷升級。這需要一代又一代微電子領域的同行付出不懈的努力！希望能有更多愛好微電子事業的接班人投身新一代信息技術革命的浪潮！