硅衬底微波集成电路传输线的电特性分析

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1、■上海交通大学硕士学位论文§1．1微波集成电路发展概述第一章绪论在刚刚过去的半个世纪中．集成电路的发明和广泛应用无疑成为了人类科技发展进程中极其关键的一环。集成电路已经渗入到人类生活的各个领域，大到飞机、汽车，小到家用电器、玩具，通信器材，以及现代科技发展不可或缺的电脑芯片⋯⋯难以想象，离开了集成电路，我们的生活会是怎样一种情况。正是由于晶体管和集成电路的出现，人类社会开始了信息化的进程。作为集成电路技术的一个分支，微波集成电路技术的发展也十分迅速。回顾半个世纪以来微波集成电路的发展历程，可以发现，它的发展基本上遵循着低频电路的历程。经历了分立电路、二维微波集成电路(

2、qz面电路)、单片微波集成电路(单片平面电路)、三维微波集成电路等阶段。为叙述清晰，列图表对比如下(见图I-I)。图1．1说明，低频电路和微波电路均以分立电路为起点。对于低频电路，继集成电路(Ic)和大规模集成电路(LSIC)以后，出现了超大规模集成电路(vLsIc)，其线宽达亚微米量级，同时研制出多层集成电路(MuIC)，在电路厚度不显著增大的前提下，面积显著缩小，已有数十层MuIC成品。而超高速集成电路(VHSIC)是速率达Gb／s量级的集成电路。与低频电路的发展相对应，微波集成电路也遵循着类似的历程：传统的微波分立电路是由金属波导、谐振器等无源元件、微波电子器件

3、、微波固态器件所组成，这种立体电路频带窄、体积大、阻抗高，不宜与低阻抗的微波器件相连。随着微波固态器件、厚／薄膜技术的进展，不但制作成功了微波集总元件，而且在微带槽线、共面波导、介质波导等方面的研究也日趋成熟，它们为微波集成电路的理论、材料、器件、工艺打下了基础，在60年代中期，集成电路技术引入微波领域fl】。由于微波集成电路具有体积小、重量轻、功耗小、成本低、可靠性高、频带宽以及不用调谐等优点，在航空、航天、雷达、通信、仪表等领域得到了广泛应用。●上海交通大学硕士学位论文IC集成电路VtISIC超高速集成电路HMIC混合微波集成电路MMIC单片微波集成电路MIMIC

4、微波与毫米波MMICLSIC大规模集成电路vLsIc超大规模集成电路MuMIC多层微波集成电路3DMMIC三维MMIC图卜1微波电路的发展⋯Fig1-1Developmentofn【licrowaycch_cIlitsp]MuIC多层集成电路MCM多芯片模块OSD光固态器件OMMIC光MMIc微波集成电路(MIC)最初是以微波混合电路(HMIC)的形式出现的。HMIC是应用薄膜或厚膜工艺，将微波无源元件制作在塑料、陶瓷、蓝宝石或铁氧体等介质材料上，再把微波半导体器件装配(焊接)在基片上．这种MAC直至今天还有应用p】。由于它继承了低、中频集成电路的某些设计方法和制造技

5、术，因此发展迅速。七十年代，随着微波波段高端和毫米波波段的开发应用，金属一半导体场效应晶体管(MESFET)、高电子迁移率晶体管(HEMT)以及异质结双极晶体管(BYr)的出现和GaAs工艺的成熟，微波单片集成电路(MMIC)开始发展起来。MMIC又称为半导体微波集成电路，它是用外延、离子注入、溅射、蒸发、扩散等沉积方法，将所有的微波无源和有源元件以及它们之间的互连均制作在高阻半导体衬底(GaA-s等)材料的内部或表面，构成具有完整功能的微波集成电路。●上海交通大学硕士学位论文MMIC最适宜的频率是分米波的高频端及毫米波和亚毫米波。它的突出优点是：a．电路体积、重量大

6、大减小，成本降低。b．便于批量生产，电性能一致性好。电路在制造过程中不需调整。C．可用频率范围提高，频带成倍加宽。d．可靠性高，寿命长。近年来，我国微波单片集成电路已获得迅速发展，尤其在微波单片低噪声放大器、功率放大器、GaAs单片行波放大器、衰减器、T／R模块等电路与子系统方面取得了一系列新成果。这些研究成果正逐步走向市场，应用于军品型号或科研、生产中。九十年代研制成功可用于毫米波段的MMIC，随即出现了MIMIC这一名称，即微波与毫米波单片集成电路。由于光固态器件(OSD)，如激光二极管、光探测器、调制器等采用与制作微波器件相同的材料(如GaAS、InP等)和相同

7、的制造工艺，因此有可能将这些器件与FET、HEMT等集成在同一块芯片上并制成光一微波单片集成电路(OMMIC)【4】。自九十年代以来，陆续出现了三维微波集成电路，又一次迎来了微波集成电路的革新。三维微波集成电路(3DMIC)包括多层微波集成电路(MuMIC)与三维单片微波集成电路(3DMMIC)两种基本类型。MuMIC是由分立的有源器件与多层集成无源元件、连接线构成的集成电路。3DMMIC则是在同一基片上将集成的有源器件、无源元件、连接线等用薄介质层相隔而形成得多层紧凑的单片集成电路。两者有相似的结构，因而将它们统称为三维微波集成电路。它们的主要特点