浅谈微波单片集成电路（MMIC）

　　微波单片集成电路（MMIC）基于半导体制造工艺，将晶体管、二极管、无源元件（电阻器、电容器、电感器、传输线、功率分配器/功率合成器等）、互连金属集成在同一个半导体芯片上，以实现微波功率放大器、微波低噪声放大器、混频器、多路功率合成，以及微波信号的发射/接收、多功能电路等。

　　目前，MMIC 中常用的有源晶体管按制作材料可分为硅基晶体管和化合物异质结晶体管。其中，硅基晶体管主要是指硅双极晶体管（BJT）、硅互补金属-氧化物-半导体（CMOS）场效应晶体管、硅横向双扩散金属-氧化物-半导体场效应晶体管（LDMOS）。化合物异质结晶体管主要包括锗硅（SiGe） 异质结双极晶体管（HBT）、InP 异质结双极晶体管 （HBT）、GaAs 金属半导体场效应晶体管（GaAs MESFET）、异质结场效应晶体管（HFET）、高电子迁移率场效应晶体管（HEMT）、赝配高电子迁移率场效应晶体管（PHEMT），以及近些年发展起来的GaN 高电子迁移率场效应晶体管（HEMT 和 PHEMT）。另外，正处于研发初期的石墨烯 MOSFET 等器件也己开始探索用于研制 MMIC。

　　（1） Si-MMIC：始于20世纪80年代初，至20世纪80年代中期 Avantek 公司凭借等平面自对准亚微米线条和深槽隔离等技术，使 Si-BJT 的截止频率Ft高达 10GHz。 Avantek 将两个 BJT 直接级联放大，并将反馈电阻和偏置电阻等集成在同一芯片上，率先开发出微波宽带、系列化、高性能的 Si-MMIC，其I/O端口阻抗均为 50欧，无须再增加匹配电路，采用单电源供电，操作方便。20世纪90年代，si-MMIC被大量应用于 4GHz 以下频段的微波小功率（Po《1W@1GHE）和低噪声领域。

　　（2）GaAs-MMIC：由于 GaAs 材料的电子迁移率比硅高7倍，其漂移速度比 硅材料的高得多，因此在微波和毫米波频段内，GaAs 器件的性能远优于硅器件的性能。GaAs 材料对微波半导体技术的发展具有重要的影响。GaAs MESFET 在微波频段内的低噪声、大功率和宽频带特性，使它成为微波领域内最重要的半导体器件之一。1974 年，美国的 Plessey 公司研制出 GaAs-MMIC 放大器；1986年，口公司发布了实用的 GaAs 商品功率放大器（ MESET MMIC-TGA8014）。它采用两级 MESFET 级联放大，主要用于相控阵雷达等系统中。

　　20 世纪90 年代至今，随着 GaAs 材料和器件加工工艺技术的成熟，采用多级级联放大的 GaAs MMIC 得到了长足的发展，其工作频率可达到 3mm 波段，产品成熟、可靠，种类涉及功率放大器、低噪声放大器、混频器、发射/接收（T/R）电路、多功能芯片电路等，其中X波段（9~10GHz） GaAs 功率放大器 MMIC 的输出功率已达 12W，增益达到 25.5dB 以上，功率附加效率大于 45%。

　　GaAs-MMIC 制造技术包括用分子束外延（MBE）或金属有机气相沉积 （MOCVD）技术生长多层GaAs 外延层、隔离工艺、深亚微米“T”型栅电极制 造技术、源漏欧姆接触技术、Au 金属化电极和金属互连工艺、背面通孔接地技术、空气桥技术等，并将电阻器、电容器、电感器、互连线、功率分配器/功率合成器等集成在同一芯片上，将 MIMIC 放大器I/O阻抗匹配到 50欧。

　　为了实现更高的工作频率和更低的功耗，硅基 SiGe 射频 CMOS 和 BiCMOS 工艺技术在21 世纪初得到较为广泛的研究。目前，此类器件的工作频率可达到60GHz 以上，但其输出功率很小，仅在 100mW以内，这限制了其应用。 GaN 材料具有较高的临界击穿电场和较高的载流子饱和漂移速度。

　　2015 年 由 GaN-MMIC 技术和电路拓扑技术相结合，制造出 C波段至 W波段的高效率、高功率和宽带功放系列产品，同时研制出了宽带鲁棒的低噪声放大器、Ka波段高功率 GaN SPDT 开关、X波段高功率 GaN 高通/低通移相器、W波段 GaN 压控振荡器、X波段收发机前端、X波段 GaN 多芯片组件等多功能 MMIC，以及Si衬底上的 CMOS 栅偏压控制电路和 GaN 放大器的直接单片异质集成产品。GaN-MMIC 的制造工艺与 GaAS-MMIC 的制造工艺类似。

　　InP 具有极高的电子迁移率和载流子饱和速度，可以将 MMIC 的工作频率提 高至太赫兹（THz）频段。由于 InP材料技术、器件工艺技术和电路拓扑技术已日趋成熟，2015 年4月美国 DARPA 公司采用 25nm 栅长InP HEMT 技术和 10级HEMT （2栅指总栅统宽8um）级联放大的设计，首次实现了具有里程碑意义的太赫兹单片电路 （TMIC） ，在1THz频率处获得9dB的增益。

　　2013 年，美国H. Madan 等人利用石墨烯的高迁移率和高速率特性，在半绝 缘SiC耐底上制作了石墨烯 RF 低噪声放大器，其最小的本征噪声系数为 0.26dB@1GHz；同年，意大利的 E. Guerriero 也制作出最高振荡频率为 1.28GHz 的石墨烯环形振荡器（RO），该石墨烯振荡器的制作有助于石墨烯集成电路的发展。2014 年，IBM 的S.J. Han 等人采用石墨烯制作了接收机集成电路，可实现信号放大、滤波和下变频等功能，其工艺与硅基 CMOS 工艺兼容，可用于无线通信中的接收端且保持 4.3GHz 的载波信号。

　　编辑：黄飞