自1974年以来,美国Plessey公司使用GaAs FET作为有源器件GaAs半绝缘衬底作为基本载体,成功研制出世界上第一块MMIC放大器,并且,在军事方面的应用(例如额智能武器、雷达通信以及电子战等方面)的推动下,MMIC的发展十分迅速。
80年代时期,伴随着分子束外延、金属有机物化学汽相淀积相关技术(MOCVD)以及深亚微米加工技术的不断发展和不断进步,MMIC也迅速的发展起来。1980年,由Thomson-CSF和Fujitsu两公司的实验室成功研制出了高电子迁移率晶体管(HEMT),在材料和结构上不断的有所突破。1983年,Maselink公司用性能更优良的InGaAs沟道制成的赝配HEMT(PHEMT),使HEMT向调频率更低的方向发展。继HEMT之后,1984年用GaAlAs/GaAs异质结取代硅双极晶体管中的PN结,成功研制了频率特性和速度特性更优异的异质结双极晶体管(HBT)和HBT MMIC。受益于InP材料的高饱和电子迁移率、高击穿电场、良好的热导率以及InP基的晶格匹配HEMT,其性能比GaAs基更为优越,近年来伴随着InP单晶的制备取得不断进展,InP基的HEMT、PHEMT、MMIC性能也得到很大幅度的提高。
80年代中期以前的MMIC,工作频率一般在40GHz以下,器件普遍是采用栅长为0.5mm左右的GaAs 金属半导体场效应晶体管(MESFET)。后来由于HEMT、PHEMT和近年来飞速发展的InP HEMT进入了低噪声MMIC领域,目前InP基HEMT的最佳性能是fT为340GHz,fmax为600GHz。
目前,低噪声MMIC放大器的典型工作频率为29~34GHz,2级LNA噪声为1.7dB,增益为17dB;92~96GHz,3级LNA噪声为3.3dB,增益为20dB;153~155GHz,3级低LNA增益为12dB等。美国TRW公司已成功研制出了MMIC功率放大器芯片,Ka波段输出功率为3.5W,相关功率增益11.5dB以及功率附加效率为20%,60GHz状态下的MMIC输出功率为300mW,效率22%,94GHz状态下的采用0.1mm AlGaAs/InGaAs/GaAs T型栅功率二级MMIC,最大输出功率300mW,最高功率附加效率为10.5%。HP公司成功研发了6~20GHz单片行波功率放大器,它的带内最小增益为11dB,不平坦度为±0.5dB,20GHz处1dB压缩点输出功率达到24dB。Raythem Samvng及Motorola联合研制的X-Ku波段的MMIC单片,输出功率达到3.5W,最大功率附加效率达到49.5%。西屋公司成功研制出直流-16GHz,6位数字衰减器MMIC,16GHz插损小于5dB。日本三菱电器公司研制的大功率多栅条AlGaAs/GaAs HBT,在12GHz工作状态下功率附加效率为72%;NEC公司开发的26GHz AlGaAs/GaAs大功率HBT器件达到了目前最高输出功率(740mW)和功率附加效率(42%)。MMIC发展如图1.1所示。
MMIC发展中的里程碑
图1.1 MMIC的发展
1.2 MMIC的特点及其应用
单片微波集成电路和混合微波集成电路相比较,有如下的优点与不足,如下表1.2所示:
单片微波集成电路(MMIC) C混合微波集成电路(HMIC)
数量大以及便宜,对复杂电路特别为经济
再生产性较强
芯片小以及轻巧
可靠性较高
较小的寄生参数影响、较大带宽以及高工作频率
电路面积是成本,电路应该做到尽可能的小型化
可选元器件较为有限
生产时间较长,一般为三个月
初始投资成本费用较为昂贵 简单电路比较便宜;可以进行自动化封装
元器件位置以及封装连接线以致再生产性能差
可以在多层基片中嵌入无源器件的电路,而且还可以做到小而轻
因为绝大多数混合集成电路的器件是黏合在一起的,故可靠性较差