微波功率器件及其材料的发展和应用前景

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1、微波功率器件及其材料的发展和应用前景来源：《材料导报》内容摘要：介绍了微波功率器的发展和前景，对HBT,MESFET和HEMT微波功率器件材料的特点和选取，以及器件的特性和设计做了分类说明。着重介绍了SiGe合金.InPSiC、GaN等新型微波功率器件材料。并对目前各种器件的最新进展和我国微波功率器件的研制现状及与国外的差距做了概述与展望。文  剑  曾健平     晏  敏(湖南大学应用物理系，长沙410082) 0 概述由Ge、Si、Ⅲ-V化合物半导体等材料制成的，工作在微波波段的二极管、晶体管称为微波器件。微波即波长介于1m~1

2、mm之间的电磁波，相应频率在300MHz~300GHz之间。微波半导体器件在微波系统中能发挥各方面性能，归纳起来为微波功率产生及放大、控制、接收3个方面。对微波功率器件要求有尽可能大的输出功率和输出效率及功率增益。 进入20世纪90年代后，由于MOCVD(金属有机化学气相淀积)和MBE(分子束外延)技术的发展，以及化合物材料和异质结工艺的日趋成熟，使三端微波器件取得令人瞩目的成就，使得HBT(异质结双极型晶体管)、MESFET(肖特基势垒场效应晶体管)以及HEMT(高电子迁移率晶体管)结构的各种器件性能逐年提高。与此同时，在此基础上构

3、成的MMIC(单片集成电路)已实用化，并进人商品化阶段，使用频率基本覆盖整个微波波段，不仅能获得大功率高效率而且，噪声系数小。随着微波半导体器件工作频率的进一步提高，功率容量的增大，噪声的降低以及效率和可靠性的提高，特别是集成化的实现，将使微波电子系统发生新的变化。表1列出了几种主要的三端微波器件目前的概况。表1      微波三端器件概况名称类型材料工作原理主要功能结构特性微波双极晶体管PN结三端器件Si由电流控制对输入信号的放大作用低噪声放大、功率放大、微波振器窄线条、浅扩散、n-p-n微波异质结双极晶体管(HBT)异质结三端器件

4、AlGaAs/GaAsInP/InGaAsPSi/SiGe/Si同上 同上宽带发射区异质结Nb>Ne微波功率MESFET金属-半导体接触三端器件GaAs、SiC由电压控制的对输入信号的放大作用同上台面型、平面型高电子迁移率晶体管(HEMT)异质结扬效应晶体管AlGaAs/GaAsAlGaN/GaN通过由电压控制的高电子迁移率2DEG(二维电子气)浓度和运动的变化实现输入信号的控制和放大同上  多层外延、异质结、台面型、平面型 1       HBT功率微波器件的特性及设计要点微波双极型晶体管包括异质结微波双极型晶体管和Si 微波双极型

5、晶体管。Si器件自20世纪60年代进入微波领域后，经过几十年的发展，性能已接近理论极限，并且其理论和制造已非常成熟，这可为后继的第二代、第三代器件借鉴。HBT主要由化合物半导体或合金半导体构成，需要两种禁带宽度不同的材料分别作为发射区和基区，宽带隙材料作发射区，窄带隙材料作基区。当为DHBT(双异质结双极型晶体管)时，集电区与基区材料带隙也不相同。为更加有效地利用异质结晶体管的特性，其结构也不再是普通的平面结构，而是采用双平面结构。1.1 材料的选取及特性虽然大部分微波功率器件被Ⅲ-V化合物功率器件占据，但Ⅲ-V化合物HBT在目前也存

6、在着可用频率范围小、材料制备及工艺成本高，器件在这些材料上的集成度不高，机械强度小以及在大功率情况下热不稳定现象严重，并可能造成发射结陷落和雪崩击穿，以及晶格匹配和热匹配等问题。InP自身具有良好的特性，与GaAs相比，击穿电场、热导率、电子平均速度均更高，而且在异质结InAlAs／InGaAs界面处存在着较大的导带不连续性、二维电子气密度大，沟道中电子迁移率高等优点，决定了InP基器件在化合物半导体器件中的地位和优异的性能。随着近几年对InP器件的大力开发和研制，InPHBT有望在大功率、低电压等方面开拓应用市场，拥有更广的应用领域

7、。987年Lyer.S.S和Patton.G.L等首次发表了用MBE技术成功地研制出Si0.88Ge0.l2基区HBT，使SiGe合金受到关注。由于近年来的研究，基于SiGe的HBT器件很好地解决了材料问题， 因其与SiCMOS器件工艺的兼容性，使得SiGeHBT能够高度集成，而且由于材料的纯度与工艺的完善，使其具有比Ⅲ-V化合物HBT更小的1/f噪声。SiGe合金的带隙可根据组分的变化自由调节，且其电子、空穴的迁移率比Si中的高，由于比硅单晶器件有更好的性能，SiGe与目前的硅超大规模集成电路制造工艺的兼容性使其在成本与性价比方面具

8、有极大的优势，因此SiGe被看作是第二代器件材料，受到广泛重视。由于Si和Ge有高达4.2％的晶格失配，则必须在低温下才能生长出高质量的SiGe/Si异质结，并且Ge组分越小热稳定性就会越好。1.2 器件的设计功率微波晶