MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit 單片微波集成電路
MMIC(Monolithic Microwave Integrated Circuit )單片微波集成電路的縮寫,是在半絕緣半導(dǎo)體襯底上用一系列的半導(dǎo)體工藝方法制造出無源和有源元器件,并連接起來構(gòu)成應(yīng)用于微波(甚至毫米波)頻段的功能電路。
單片微波集成電路包括多種功能電路,如低噪聲放大器(LNA)、功率放大器、混頻器、上變頻器、檢波器、調(diào)制器、壓控振蕩器(VCO)、移相器、開關(guān)、MMIC收發(fā)前端,甚至整個(gè)發(fā)射/接收(T/R)組件(收發(fā)系統(tǒng))。由于MMIC的襯底材料(如GaAs、InP)的電子遷移率較高、帶禁寬度寬、工作溫度范圍大、微波傳輸性能好,所以MMIC具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態(tài)范圍大、功率大、附加效率高、抗電磁輻射能力強(qiáng)等特點(diǎn)。
相關(guān)技術(shù):
微電子技術(shù);微波毫米波技術(shù);半導(dǎo)體單片集成電路技術(shù);電子技術(shù);先進(jìn)材料技術(shù);制造與加工技術(shù)
技術(shù)難點(diǎn):
1. GaAs、InP大直徑單晶和高性能HEMT、PHEMT、InP HEMT中材料制備。
2. 深亞微米精細(xì)結(jié)構(gòu)制備
3. CAD和CAT技術(shù)
4. 封裝技術(shù)
國外概況 自1974年,美國的Plessey公司用GaAs FET作為有源器件,GaAs半絕緣襯底作為載體,研制成功世界上第一塊MMIC放大器以來,在軍事應(yīng)用(包括智能武器、雷達(dá)、通信和電子戰(zhàn)等方面)的推動下,MMIC的發(fā)展十分迅速。80年代,隨著分子束外延、金屬有機(jī)物化學(xué)汽相淀積技術(shù)(MOCVD)和深亞微米加工技術(shù)的發(fā)展和進(jìn)步,MMIC發(fā)展迅速。1980年由Thomson-CSF和Fujitsu兩公司實(shí)驗(yàn)室研制出高電子遷移率晶體管(HEMT),在材料結(jié)構(gòu)上得到了不斷的突破和創(chuàng)新。1985年Maselink用性能更好的InGaAs溝道制成的贗配HEMT(PHEMT),使HEMT向更調(diào)頻率更低噪聲方向發(fā)展。繼HEMT之后,1984年用GaAlAs/GaAs異質(zhì)結(jié)取代硅雙極晶體管中的P-N結(jié),研制成功了頻率特性和速度特性更優(yōu)異的異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)和HBT MMIC。由于InP材料具有高飽和電子遷移率、高擊穿電場、良好的熱導(dǎo)率、InP基的晶格匹配HEMT,其性能比GaAs基更為優(yōu)越,近年來隨著InP單晶的制備取得進(jìn)展,InP基的HEMT、PHEMT、MMIC性能也得到很大的提高! 微波單片集成電路具有電路損耗小、噪聲低、頻帶寬、動態(tài)范圍大、功率大、附加效率高等一系列優(yōu)點(diǎn),并可縮小的電子設(shè)備體積、重量減輕、價(jià)格也降低不少,這對軍用電子裝備和民用電子產(chǎn)品都十分重要。美國、日本、西歐都把MMIC作為國家發(fā)展戰(zhàn)略的核心,競相投入大量的人力、物力,展開激烈的競爭。 80年代中期以前的MMIC,頻率一般在40GHz以下,器件是采用柵長為0.5mm左右的GaAs 金屬半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MESFET)。后來在低噪聲MMIC領(lǐng)域的先進(jìn)水平都被HEMT、PHEMT和近年來飛速發(fā)展的InP HEMT所取代,InP基HEMT的最佳性能是fT為340GHz,fmax為600GHz。目前,低噪聲MMIC放大器的典型水平為29~34GHz下,2級LNA噪聲為1.7dB,增益為17dB;92~96GHz,3級LNA噪聲為3.3dB,增益為20dB;153~155GHz,3級低LNA增益為12dB! 美國TRW公司已研制成功MMIC功率放大器芯片,Ka波段輸出功率為3.5W,相關(guān)功率增益11.5dB,功率附加效率為20%,60GHz的MMIC輸出功率為300mW,效率22%,94GHz采用0.1mm AlGaAs/InGaAs/GaAs T型柵功率二級MMIC,最大輸出功率300mW,最高功率附加效率為10.5%! HP公司研制了6~20GHz單片行波功率放大器,帶內(nèi)最小增益為11dB,帶內(nèi)不平坦度為±0.5dB,20GHz處1dB壓縮點(diǎn)輸出功率達(dá)24dB。Raythem. Samvng及Motorola聯(lián)合開發(fā)的X-Ku波段,MMIC單片輸出功率達(dá)3.5W,最大功率附加效率為49.5%! 西屋公司研制成功直流-16GHz,6位數(shù)字衰減器MMIC,16GHz插損小于5dB! 日本三菱電器公司研制的大功率多柵條AlGaAs/GaAs HBT,在12GHz下功率附加效率為72%;NEC公司開發(fā)的26GHz AlGaAs/GaAs大功率HBT器件達(dá)到了目前最高輸出功率(740mW)和功率附加效率(42%)。
影響 微波單片集成電路已成為當(dāng)前發(fā)展各種高科技武器的重要支柱,已廣泛用于各種先進(jìn)的戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈、電子戰(zhàn)、通信系統(tǒng)、陸海空基的各種先進(jìn)的相控陣?yán)走_(dá)(特別是機(jī)載和星載雷達(dá)),在民用商業(yè)的移動電話、無線通信、個(gè)人衛(wèi)星通信網(wǎng)、全球定位系統(tǒng)、直播衛(wèi)星接收和毫米波自動防撞系統(tǒng)等方面已形成正在飛速發(fā)展的巨大市場。
美國國防部在1986到1994年實(shí)施了發(fā)展軍事微電子總計(jì)劃之一的《MIMIC》計(jì)劃,該計(jì)劃在美國國防部高級研究計(jì)劃局(DARDA)的領(lǐng)導(dǎo)下,采用以聯(lián)邦政府巨額支助的方針,動員全國高校和工業(yè)部門各大公司的力量,分工合作,對MMIC領(lǐng)域開展廣泛而深入的研究。美聯(lián)邦政府投入資金共計(jì)5.3億元,加上美工業(yè)部門投入,實(shí)際已超過10億美元。在此計(jì)劃的激勵(lì)下,MMIC芯片制造和應(yīng)用技術(shù)發(fā)展十分迅速。據(jù)1994年七月出版的《Aviation Week Space Technology》報(bào)導(dǎo)雷聲公司和TI公司為美國沙姆導(dǎo)彈實(shí)驗(yàn)場研制GBR陸基雷達(dá),該雷達(dá)使用25000個(gè)T/R組件,每個(gè)組件使用9塊GaAs MMIC。由于這種相控陣?yán)走_(dá)工作在X波段,它比"愛國者"導(dǎo)彈系統(tǒng)使用的C波段雷達(dá)有更好的分辨力。美F-15,F(xiàn)-16戰(zhàn)斗機(jī)都使用MMIC相控陣?yán)走_(dá)。每部雷達(dá)使用9000個(gè)T/R組件,而每個(gè)組件使用10塊MMIC。F-15,F(xiàn)-16等戰(zhàn)斗機(jī)還使用寬帶、超寬帶MMIC組成二維電子戰(zhàn)陣列和信道化干擾設(shè)備。MMIC還在精確制導(dǎo)等靈巧武器和軍事通信得到廣泛應(yīng)用,其優(yōu)越性在海灣戰(zhàn)爭中得以體現(xiàn)。
進(jìn)入90年代,隨著冷戰(zhàn)的結(jié)束,MMIC在民用方面應(yīng)用發(fā)展勢頭強(qiáng)勁,每年正以15~20%的速度增長,預(yù)計(jì)現(xiàn)在的電信、電視、廣播業(yè)到21世紀(jì)初將發(fā)生劃時(shí)代的變革,衛(wèi)星電信、衛(wèi)星電視、衛(wèi)星廣播、衛(wèi)星電纜接收網(wǎng)絡(luò)成為多種傳播的主體,預(yù)計(jì)在2000年前后,MMIC電路將達(dá)到數(shù)千個(gè)品種,批生產(chǎn)形成的軍用和民用市場在100億美元左右。因此MMIC的發(fā)展前景極為廣闊。