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InP基/GaN基器件与电路在微波毫米波领域“大显身手”

来源:  发布时间:2014-10-28

刘新宇 王鑫华 黄森 罗卫军 苏永波 姚鸿飞

 中国科学院微电子研究所微波器件与集成电路实验室

    

   项目资助:超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究(项目编号:2010CB327500)
   你知道现代战争是依赖什么布下天罗地网,获取地方信息并实行精确打击的吗?知道天气预报是靠什么探测气象信息吗?知道为什么飞机可以在漆黑的夜空安全飞行吗?对,就是因为雷达——奇特神秘的超视距眼睛。它自投入军旅以来,便用无形的手左右着战局,如今,已经成了影响现代战争的关键因素之一。而化合物半导体集成电路的出现顺应了现代雷达(毫米波雷达)的发展需求,尤其是磷化铟(InP)基和氮化镓(GaN)基器件与电路,成为了雷达信号发射和接收的“枢纽”。
   首先,我们来看一则关于雷达的军事案例,由此引出微波毫米波应用领域对材料选择的思考。
   “1981年1月下旬的一天,从哈塔米空军基地起飞的两架伊朗空军的 F-14战斗机正在波斯湾西南空域巡逻飞行。在大约中午时分,伊朗地面雷达站捕捉到一个目标,目标在海湾西南空域上空,飞行高度在海平面上约100到200英尺,正在高速向布什尔方向移动。地面雷达指示F-14向目标飞去,此时,F-14长机雷达也发现了同一个目标并将其锁定。在确认了30英里以外正以极低高度飞行的目标是敌机以后,F-14长机发射了一枚AIM-54A‘不死鸟’空空导弹,‘不死鸟’击中了伊拉克苏-22战斗机的机身中部,将其截为两段;随后长机上的雷达操作飞行员报告说看到一个火球坠入大海,确认是那架低空飞行的苏-22。此时,僚机飞行员发现了第二架苏-22,这架敌机此前没有被地面雷达发现,正当F-14要展开攻击的时候,第二架苏-22逃离了‘雄猫’的火力范围。“从上述案例可以看出,借助雷达更远更早地发现敌方可以为攻击赢得先机,也能为逃走赢得时间。
   那什么样的现代雷达能够比敌人更早地发现对方?又如何尽可能的隐藏自己呢?这需要进一步了解雷达的工作原理及其核心组成部分。
   雷达通过天线发出无线电波,无线电波遇到障碍物就反射回来,显示在荧光屏上,这样就可以判断目标的形状、结构、位置以及移动速度等,无论障碍物处于高空,深海还是地下都可以探测,即使是隐身目标。神秘的雷达系统是怎样发射和接收无线电信号的呢?雷达内部都有产生高功率辐射信号的雷达发射机,利用信号接收和功率放大模块实现信号的接收和发射。最简单的发射/接收组件只有单端口作为发射输出和接收输出,它的工作原理和手机类似,在接收信号时,要保证接收到信号足够的干净,类似于接电话时要求听到他人的声音比较清楚,此过程中起主要作用的是低噪声放大器。而在发射信号时,我们希望发射更大功率的无线电信号,这样就能探测到更远距离的敌方情况,此过程中起主要作用的是功率放大器,然而大功率发射机的截面会更大,这在战争中是非常危险的,目标越大就越容易被敌方探测到!所以,执行信号接收和发射模块的核心器件的选择变得至关重要,它在很大程度上决定了雷达的探测能力和隐身能力。
   目前,固态相控阵毫米波雷达以其超强的性能成为各方研究的焦点。其主要优点在于,较短的波长容易实现较窄的波束宽度,从而在目标监视方面有高的分辨力和跟踪能力,能够用小尺寸天线获得更清晰的信号,极宽的可用频带便于提高分辨距离的能力,且提高了抗干扰性。随着毫米波雷达在制导中的应用,极大地提高了精确制导武器的命中概率和抗干扰能力。这对组成雷达核心功能的组件提出了更高的要求,尤其在高频率和大功率方面的要求。而磷化铟(InP)基和氮化镓(GaN)基器件与电路的出现顺应了毫米波雷达的发展需求,以其在超高频、大功率、抗辐照、耐高温等方面的优良特性,逐渐成为信号接收和功率放大模块的“香馍馍”。
   事实上,归属于III-V化合物半导体材料的InP和GaN器件用肉眼是难以看清楚的,这么微小的器件为什么能满足现代雷达对超高频和大功率方面的需求呢?我们来看看它都有哪些神奇之处吧。
   所谓III-V族化合物半导体,是指元素周期表中的III族与V族元素相结合生成的化合物半导体,主要包括镓化砷(GaAs)、磷化铟(InP)和氮化镓等。其中以砷化镓技术较成熟,商业应用也较广。此类材料具有闪锌矿结构。键结方式以共价键为主。由于五价原子比三价原子具有更高的负电性,因此有少许离子键成份。正因为如此,III-V族材料置于电场中,晶格容易被极化,离子位移有助于介电系数的增加,电场频率在红外线范围。InP和GaN材料的n型半导体中,电子迁移率分别为10000cm2/v﹒s和2000cm2/v﹒s,饱和速度分别为2.3×107cm/s和2.7×107cm/s,远大于Si的电子迁移率1450cm2/v﹒s和饱和速度1×107cm/s,因此电子运动速度更快,比半导体Si更适合高频和高速领域的应用。同时InP和GaN材料的工作温度可以高于500℃,远大于Si材料工作温度300℃,非常适合战场环境和空间通信应用。另外,GaN材料还具有超高的击穿场强(3.3MV/cm)和更宽的禁带宽度(3.49eV),全面超过Si材料的0.3MV/cm和1.1eV,具备大功率应用和抗辐照应用的潜力;GaN材料的原子结合键强、化学特性很稳定(几乎不被任何酸腐蚀),导热能力好,因此能适应恶劣的工作环境。除了材料本身的特殊性质外,还得益于新型材料与器件的结构设计。典型的微波器件有高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极型晶体管(HBT)。HEMT器件包含的基本外延层结构:隔离层、高掺杂层和势垒层为同一种宽禁带材料;沟道材料为窄禁带材料。由极化、掺杂等多种因素产生的自由电子,从能量高的地方转移到能量低的地方,并在材料的某些界面形成高浓度的二维电子气,它就像是具有一定厚度的导电层,这层导电层与形成导电层的离子实现了空间上的分离,从而减小了电子移动的阻碍作用,使得导电载流子迁移率高,噪声小。电子迁移率高,说明器件传输信号的速度可以很快,工作频率就越高。高浓度高迁移率的电子在电场作用下高速定向移动,就会产生很大的输出电流密度。若材料还具有较高工作电压(比如GaN材料),则为单位面积大功率输出和器件微型化提供了可能,可应用于低噪声放大器、功率放大器等。HBT器件区别于传统的双极型晶体管,其基极/发射极结和基极/集电极结均为两种不同材料形成的PN结,具有功率密度高,相位低,线性度好的特点,主要应用于功率放大器、振荡器、混频器、环形器等。
   看了这些是不是觉得InP、GaN这些新奇的东西离我们的生活很远?其实当你拿起电话和远在天边的朋友侃侃而谈,打开电脑上网冲浪获取各种有价值无价值的信息的时候,微波功率放大器等多种类型器件和电路就在作为忠实的信使默默地帮你传递信息。不过,是不是有这种情况,当你进入山区或者偏远的地方时,手机没有信号了?这是因为手机基站的信号覆盖面积和发射功率不够大引起。是不是你们还在为上网速度慢,网络带宽窄而犯愁呢?InP基和GaN基微波器件将为您带来新的希望和体验……
   我们以GaN为例说明移动通信的前景。移动通信基站将信号放大发射到空间,以便于远距离的接收设备接收到满意的信号电平。若GaN基微波功率放大器用于通信基站,可以将手机基站的功率密度提高到现在的硅芯片技术的两倍或者三倍,因此可以用较少数量的基站覆盖同样的地区,更可能的情况是,在基站数量不变的情况下提供更高的数据信号传输速率。相比以往材料而言,GaN微波器件工作电压更高,工作温度更高,简化了基站系统结构,并省去许多制冷设备,整个基站有可能缩小到只有小型电冰箱的大小,可以安装在电线杆上,而不必占据电话公司中心局中昂贵的空间。所谓“一代材料,一代器件”,而对于用户而言更是“一代体验”。
   那么我们来看看,未来将在哪些民用领域可能出现InP和GaN器件的地方呢?
   第一、汽车光电子市场,目前汽车防撞雷达已在很多高档车上得到了实用,将来肯定会越来越普及。汽车光电子市场,目前汽车防撞雷达已在很多高档车上得到了实用,将来肯定会越来越普及。由于汽车防撞雷达一般工作在毫米波段,所以肯定离不开磷化铟,它的中频部分才会用到锗硅,由于全球汽车工业十分庞大,所以这是一个早晚必定会发生的巨大市场。
   第二、新一代光纤通信技术。新一代的40Gbps光通信设备不久肯定会开始装备,40Gbps的光通信设备会代替 25Gbps设备投入大量使用。而这些设备中将大量使用磷化铟、砷化镓、锗硅等化合物半导体集成电路。
   第三、移动通信技术正在不断朝有利于化合物半导体产品的方向发展。目前二代半(2.5G)技术和第三代(3G)技术已成为移动通信技术的主流。二代半技术和3G技术对功放的效率、散热、带宽、线性度已有新的要求,不过砷化镓技术、锗硅技术仍可以满足。如今第四代(4G)的概念己明确提出来。4G技术对手机有更高要求。它要求手机在楼内可接入无线局域网(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。因此这是一种多功能、多频段、多模式的移动终端。从系统小巧来说,当然会希望实现单芯片集成(SOC),但单一的硅技术无法在那么多功能和模式上都达到性能最优。要把各种优化性能的功能集成在一起,只能用系统级封装(SIP),即在同一封装中用硅、锗硅、InP等不同工艺来优化实现不同功能。另外,4G对无线基站也提出更高要求,希望信号发射能力更强,带宽更宽,体积更小等,这也为GaN的应用提供了平台。
   尽管InP和GaN器件与电路拥有美好的应用前景,但目前阶段还有诸多问题和挑战亟待研究人员解决。由于化合物半导体集成电路工艺与传统硅基电路不兼容,材料成本和工艺成本都较昂贵,成品率较低,所以发展与硅基工艺兼容的技术路线是一种趋势,有利于降低成本,实现民用化和商业化。同时材料单晶缺陷比硅高,需要进一步提升材料品质。虽然它们在高温应用领域比硅强,但为了满足超高功率应用需求,仍然要解决高温和高场下可靠性问题。因此,InP、GaN基器件与电路要像半导体硅一样普及应用,并互为补充,仍有待研发技术的不断升级。这需要一代又一代微电子领域的同行付出不懈的努力!希望能有更多爱好微电子事业的接班人投身新一代信息技术革命的浪潮!    
 

作者介绍:    
   刘新宇,研究员,博士生导师。现任微电子所副所长、微电子器件与集成技术重点实验室副主任、电子学会青年工作委员会委员。刘新宇研究员师从著名科学家吴德馨院士,从事化合物半导体微波器件、电路和模块等领域的研究。目前主持多项国家重大专项、973项目、国家自然基金重大项目。
   王鑫华,中科院微电子研究所助理研究员。主要研究领域包括GaN基功率器件的工艺设计、可靠性机理研究,器件热分析,拉曼光谱分析技术、低频噪声技术的应用基础研究等。参与国家重大专项,并主持国家自然科学青年基金。
   黄森,中国科学院微电子研究所副研究员。主要从事III族氮化物宽禁带半导体功率电子和微波功率器件及相关器件物理研究,在GaN基功率半导体器件金半接触,表面与界面物理,高压钝化研究中取得了若干具有国际影响力的研究成果。参与国家重大专项,并主持国家自然科学面上基金。
   姚鸿飞,博士。2010年进入中科院微电子研究所攻读博士学位,2013年毕业,留所工作至今。现为某芯片预研项目和THz自然科学基金项目负责人。
   苏永波,微电子学与固体电子学博士学位,助理研究员。从攻读博士学位以来,作为主要研究人员负责了多项有关InP材料、器件与应用电路的研究工作。
   罗卫军,副研究员,现在中科院微电子所微波器件与集成电路研究室工作,主要从事GaN基微电子材料、器件与应用电路的研究工作。承担国家01重大专项和国家自然科学青年基金。    

 

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