微波功率器件的特性和設(shè)計要點(diǎn)詳細(xì)說明

　　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。微波即波長介于1m~1mm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，在此基礎(chǔ)上構(gòu)成的MMIC（單片集成電路）已實用化，并進(jìn)人商品化階段，使用頻率基本覆蓋整個微波波段，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。

　　1 HBT功率微波器件的特性及設(shè)計要點(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，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。 1987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SiGe HBT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比方面具有極大的優(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。