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1、微波功率器件及其材料的發(fā)展和應(yīng)用前景來源：《材料導(dǎo)報(bào)》內(nèi)容摘要：介紹了微波功率器的發(fā)展和前景，對HBT,MESFET和HEMT微波功率器件材料的特點(diǎn)和選取，以及器件的特性和設(shè)計(jì)做了分類說明。著重介紹了SiGe合金.InPSiC、GaN等新型微波功率器件材料。并對目前各種器件的最新進(jìn)展和我國微波功率器件的研制現(xiàn)狀及與國外的差距做了概述與展望。文??劍??曾健平?????晏??敏(湖南大學(xué)應(yīng)用物理系，長沙410082)?0?概述由Ge、Si、Ⅲ-V化合物半導(dǎo)體等材料制成的，工作在微波波段的二極管、晶體管稱為微波器件。微波即波長介于1m~1
2、mm之間的電磁波，相應(yīng)頻率在300MHz~300GHz之間。微波半導(dǎo)體器件在微波系統(tǒng)中能發(fā)揮各方面性能，歸納起來為微波功率產(chǎn)生及放大、控制、接收3個(gè)方面。對微波功率器件要求有盡可能大的輸出功率和輸出效率及功率增益。?進(jìn)入20世紀(jì)90年代后，由于MOCVD(金屬有機(jī)化學(xué)氣相淀積)和MBE(分子束外延)技術(shù)的發(fā)展，以及化合物材料和異質(zhì)結(jié)工藝的日趨成熟，使三端微波器件取得令人矚目的成就，使得HBT(異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管)、MESFET(肖特基勢壘場效應(yīng)晶體管)以及HEMT(高電子遷移率晶體管)結(jié)構(gòu)的各種器件性能逐年提高。與此同時(shí)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)
3、成的MMIC(單片集成電路)已實(shí)用化，并進(jìn)人商品化階段，使用頻率基本覆蓋整個(gè)微波波段，不僅能獲得大功率高效率而且，噪聲系數(shù)小。隨著微波半導(dǎo)體器件工作頻率的進(jìn)一步提高，功率容量的增大，噪聲的降低以及效率和可靠性的提高，特別是集成化的實(shí)現(xiàn)，將使微波電子系統(tǒng)發(fā)生新的變化。表1列出了幾種主要的三端微波器件目前的概況。表1??????微波三端器件概況名稱類型材料工作原理主要功能結(jié)構(gòu)特性微波雙極晶體管PN結(jié)三端器件Si由電流控制對輸入信號的放大作用低噪聲放大、功率放大、微波振器窄線條、淺擴(kuò)散、n-p-n微波異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)異質(zhì)結(jié)三端器件
4、AlGaAs/GaAsInP/InGaAsPSi/SiGe/Si同上?同上寬帶發(fā)射區(qū)異質(zhì)結(jié)Nb>Ne微波功率MESFET金屬-半導(dǎo)體接觸三端器件GaAs、SiC由電壓控制的對輸入信號的放大作用同上臺面型、平面型高電子遷移率晶體管(HEMT)異質(zhì)結(jié)揚(yáng)效應(yīng)晶體管AlGaAs/GaAsAlGaN/GaN通過由電壓控制的高電子遷移率2DEG(二維電子氣)濃度和運(yùn)動的變化實(shí)現(xiàn)輸入信號的控制和放大同上??多層外延、異質(zhì)結(jié)、臺面型、平面型?1???????HBT功率微波器件的特性及設(shè)計(jì)要點(diǎn)微波雙極型晶體管包括異質(zhì)結(jié)微波雙極型晶體管和Si?微波雙極型
5、晶體管。Si器件自20世紀(jì)60年代進(jìn)入微波領(lǐng)域后，經(jīng)過幾十年的發(fā)展，性能已接近理論極限，并且其理論和制造已非常成熟，這可為后繼的第二代、第三代器件借鑒。HBT主要由化合物半導(dǎo)體或合金半導(dǎo)體構(gòu)成，需要兩種禁帶寬度不同的材料分別作為發(fā)射區(qū)和基區(qū)，寬帶隙材料作發(fā)射區(qū)，窄帶隙材料作基區(qū)。當(dāng)為DHBT(雙異質(zhì)結(jié)雙極型晶體管)時(shí)，集電區(qū)與基區(qū)材料帶隙也不相同。為更加有效地利用異質(zhì)結(jié)晶體管的特性，其結(jié)構(gòu)也不再是普通的平面結(jié)構(gòu)，而是采用雙平面結(jié)構(gòu)。1.1?材料的選取及特性雖然大部分微波功率器件被Ⅲ-V化合物功率器件占據(jù)，但Ⅲ-V化合物HBT在目前也存
6、在著可用頻率范圍小、材料制備及工藝成本高，器件在這些材料上的集成度不高，機(jī)械強(qiáng)度小以及在大功率情況下熱不穩(wěn)定現(xiàn)象嚴(yán)重，并可能造成發(fā)射結(jié)陷落和雪崩擊穿，以及晶格匹配和熱匹配等問題。InP自身具有良好的特性，與GaAs相比，擊穿電場、熱導(dǎo)率、電子平均速度均更高，而且在異質(zhì)結(jié)InAlAs／InGaAs界面處存在著較大的導(dǎo)帶不連續(xù)性、二維電子氣密度大，溝道中電子遷移率高等優(yōu)點(diǎn)，決定了InP基器件在化合物半導(dǎo)體器件中的地位和優(yōu)異的性能。隨著近幾年對InP器件的大力開發(fā)和研制，InPHBT有望在大功率、低電壓等方面開拓應(yīng)用市場，擁有更廣的應(yīng)用領(lǐng)域
7、。987年Lyer.S.S和Patton.G.L等首次發(fā)表了用MBE技術(shù)成功地研制出Si0.88Ge0.l2基區(qū)HBT，使SiGe合金受到關(guān)注。由于近年來的研究，基于SiGe的HBT器件很好地解決了材料問題，?因其與SiCMOS器件工藝的兼容性，使得SiGeHBT能夠高度集成，而且由于材料的純度與工藝的完善，使其具有比Ⅲ-V化合物HBT更小的1/f噪聲。SiGe合金的帶隙可根據(jù)組分的變化自由調(diào)節(jié)，且其電子、空穴的遷移率比Si中的高，由于比硅單晶器件有更好的性能，SiGe與目前的硅超大規(guī)模集成電路制造工藝的兼容性使其在成本與性價(jià)比方面具
8、有極大的優(yōu)勢，因此SiGe被看作是第二代器件材料，受到廣泛重視。由于Si和Ge有高達(dá)4.2％的晶格失配，則必須在低溫下才能生長出高質(zhì)量的SiGe/Si異質(zhì)結(jié)，并且Ge組分越小熱穩(wěn)定性就會越好。1.2?器件的設(shè)計(jì)功率微波晶
