1、第四章 微波单片集成电路目录4.1 4.1 概况概况4.2 MMIC4.2 MMIC元部件技术元部件技术4.3 MMIC4.3 MMIC工艺工艺4.4 EDA4.4 EDA技术技术 4.5 MMIC4.5 MMIC设计设计4.6 MMIC4.6 MMIC测试与封装测试与封装WhatWhyHow4.1.1 微波微波单单片集成片集成电电路基本路基本概概念念4.1 概况4.1.1 微波单片集成电路基本概念What?MMIC:Monolithic Microwave Intergrated CircuituMonolithic:希腊语，希腊语，a single stone，定义了，定义了MMIC的外形
2、；的外形；uMicrowave:300MHz300GHz,定义了工作频率；定义了工作频率；uIC：表明：表明“stone”是由有源器件、无源元件和所有连接组是由有源器件、无源元件和所有连接组成的完整系统，不包含单个（独立）的有源器件，定义了成的完整系统，不包含单个（独立）的有源器件，定义了“stone”的材质，即半导体。的材质，即半导体。定义：定义：利用半导体批生产技术，将微波电路中所有的有源器件和无利用半导体批生产技术，将微波电路中所有的有源器件和无源元件都制作在一块半导体衬底上的电路。源元件都制作在一块半导体衬底上的电路。4.1.1 微波单片集成电路基本概念半导体材料半导体材料?4.1.1
3、 微波单片集成电路基本概念u优点 u成本低u可靠性高u体积小u重量轻u工作频带更宽Why?4.1.1 微波单片集成电路基本概念典型应用-RADAR、智能武器4.1.1 微波单片集成电路基本概念2009年年2011年年4.1.1 微波单片集成电路基本概念半导体材料半导体材料&低损耗介质低损耗介质计算机辅助设计算机辅助设计（计（CADCAD）先进的半导体先进的半导体制造技术制造技术ProcessDesign MethodHow?4.1.2 微波单片集成电路发展动态萌芽期萌芽期(1964)u 1916年，年，Jan Czochralski，直拉法实现，直拉法实现Si单晶生长；单晶生长；u 1925年
4、，年，Julius Edgar Lilienfeld，MESFET概念；概念；u 1947年，年，Shockley，Brattain&Bardeen，点触式晶体管；，点触式晶体管；u 1959年，年，TI 和和Fairchild Semiconductor,发明单片集成电路；发明单片集成电路；John Bardeen,Walter Brattain,William SchockleyFirst commercial monolithic integrated circuit,Fairchild,1961First monolithic integrated circuit,19594.1.2
5、微波单片集成电路发展动态破冰期破冰期(19651976)u 19661966年，年，US US 政府，政府，X X波段波段 Si MMIC Si MMIC 开关，机载相控阵天线；开关，机载相控阵天线；u 19661966年，年，Jim Turner Jim Turner&C.A.Mead&C.A.Mead，第一个，第一个GaAs MESFETGaAs MESFET（VHFVHF）；）；u 19701970年，微波年，微波GaAs GaAs 器件性能超越器件性能超越Si Si电路电路;u 19761976年，年，Pengelly&TurnerPengelly&Turner，第一个第一个GaAs
6、GaAs 微波单片集成电路（微波单片集成电路（MMICMMIC）；First GaAs MMIC reported in Electronics Letters,1976在在712G712GHzHz的微的微波频段内，波频段内，实现了小实现了小信号增益信号增益放大器放大器4.1.2 微波单片集成电路发展动态高速发展期高速发展期(19771986)u 19791979年，美国电气、电子和电子工程协会年，美国电气、电子和电子工程协会IEEE,IEEE,首届首届GaAs IC GaAs IC 学术会议学术会议；u 19851985年，年，P Plessey Caswelllessey Caswell，
7、0.70.7微米栅长、微米栅长、2 2英寸英寸 的的MMIC processMMIC process；u 19851985年，年，“能带工程能带工程”，HEMT LNA MMIC(1988)HEMT LNA MMIC(1988)、HBT PAHBT PA（19891989）、）、InP PA(InP PA(1990)1990)；4.1.2 微波单片集成电路发展动态百花齐放期（百花齐放期（1987Now）4.1.2 微波单片集成电路发展动态MMIC发展趋势发展趋势1.基片材料：质量、尺寸、新材料；基片材料：质量、尺寸、新材料；2.工艺：稳定性、成品率、特征尺寸工艺：稳定性、成品率、特征尺寸(纳米
8、器件纳米器件)；3.性能：工作频率、可靠性、输出功率、噪声系数、带性能：工作频率、可靠性、输出功率、噪声系数、带宽、体积等；宽、体积等；4.CAD：器件建模、电路拓扑、仿真技术等；：器件建模、电路拓扑、仿真技术等；5.集成度：集成度：SIP、SOC6.测试：精度、智能化、高频、多功能化；测试：精度、智能化、高频、多功能化；7.应用：从军用向民用扩散。应用：从军用向民用扩散。有源器件有源器件晶体管晶体管 无源元件无源元件电容电容电感电感电阻电阻通孔通孔4.2 元部件技术 UMS PH25 Design Kit in ADSOpen TopicOpen Topic 二极管是否属于有源器件二极管是否
9、属于有源器件？4.2.1 无源元件 MMIC 中的无源元件电感电容电阻引线PAD(GSG)输入/输出PAD通孔 按结构分类按结构分类 二极管（肖特基势垒和结型二极管）二极管（肖特基势垒和结型二极管）双极型晶体管双极型晶体管(BJT，HBT)场效应晶体管（场效应晶体管（FET）JFET MESFET HEMT,PHEMT,MHEMT MOSFET,CMOSFET IGFET MISHEMT，MOSHEMT 按材料分类按材料分类Si,SiGe,GaAs,InP,SiC,GaN,CNT,Graphene4.2.2 有源器件HEMTMOSFETMESFET晶体管SEM图片4.2.3 半导体物理基础1.
10、1.半导体：常温下电导率介于导体和绝缘体之间的材料。半导体：常温下电导率介于导体和绝缘体之间的材料。半导体导电能力具有压敏、热敏及因掺杂而改变的特半导体导电能力具有压敏、热敏及因掺杂而改变的特性。性。2.2.半导体的分类：半导体的分类：元素半导体：元素半导体：Si,Si,GeGe等等 二元化合物半导体：二元化合物半导体：GaAsGaAs,InPInP,SiCSiC,GaNGaN等等 N N（33）元化和物半导体：）元化和物半导体：InGaAsInGaAs，AlGaNAlGaN等等第一代：Si,Ge第二代：GaAs,InP第三代：SiC,GaN导体、半导体和绝缘层的能带特征导体导体绝缘体绝缘体半
11、导体半导体价带导带半导体的导电特性v导带底电子沿外加电场反方向漂移导带底电子沿外加电场反方向漂移v价带顶空穴沿外加电场方向的漂移价带顶空穴沿外加电场方向的漂移EejevehvhjhJe=nqve=nquEEg跃迁跃迁传导电子传导电子空穴空穴元素周期表几种半导体关键参数Si SiGaAsGaAsGaNGaN4H-SiC4H-SiC 石墨烯石墨烯禁带宽度禁带宽度 eVeV1.11.11.41.43.23.23.23.200.2500.25击穿场强击穿场强MV/cmMV/cm0.60.60.60.63.53.53.53.5UnkownUnkown热导率热导率WW/(/(cmkcmk)1.51.50.
12、50.51.31.34.94.930503050饱和速度饱和速度 10107 7cm/scm/s1 11.2(2.1)1.2(2.1)2.5(2.7)2.5(2.7)1.91.933电子迁移率电子迁移率 cmcm2 2/Vs/Vs1500150085008500(1000)(1000)900900(2000)(2000)7007006000060000Max.Max.介电常数介电常数11.411.412.812.89.89.89.79.7UnkownUnkown工作温度工作温度 o oC C175175175175600600650650UnkownUnkown抗辐照能力抗辐照能力 radra
13、d10104 410106 61010101010109 9UnkownUnkown晶体管的常用范围It is just an Old Picture!2006年年Steve Marsh practical MMIC Design毫米波毫米波MMICSi/Ge 基基MMIC1.SiGe HBT发展发展,形成形成 SiGe BiCMOS工艺工艺;2.Si CMOS 成本低、功耗低可与基带工艺兼容；成本低、功耗低可与基带工艺兼容；3.工艺特征尺寸从工艺特征尺寸从130nm到到22nm。晶体管的常用范围毫米波毫米波MMICSi/Ge 基基MMIC功率密度低、噪声性能不佳！主要用于低功率、低功耗、功率
14、密度低、噪声性能不佳！主要用于低功率、低功耗、低等民用通信系统。低等民用通信系统。K.Sengupta and A.Hajimiri(Caltech),ISSCC 201245 nm CMOS4x4 array2.7mm x 2.7mmBW:276 285 GHzBeam angle:80 degreeOutput power:190W晶体管的常用范围3.2.1 3.2.1 毫米波毫米波MMICMMIC发展概述发展概述毫米波毫米波MMICGaAs MMICTGA4516,30-40 GHz,2WTGA4916,29-31 GHz,7WTGA4517,31-37GHz,3.2W毫米波毫米波MMI
15、CGaAs MMICAPH631,92-96GHz,18dBm,G=23dBOmmic-CGY2190UH,75-110GHz,NF=2.8 dBAPH631,92-96GHz,25dBm20102010年，年，FraunhpferFraunhpfer IAF IAF 报道报道了了220235GHz220235GHz的放大器。的放大器。晶体管的常用范围毫米波毫米波MMICInP MMIC20102010年，年，IEEE IEEE MWCLMWCL报道了报道了4 460482.5GHz60482.5GHz的放大器。的放大器。晶体管的常用范围毫米波毫米波MMICInP MMICUCSB HBT晶体
16、管的常用范围毫米波毫米波MMICGaN MMICHRL-G94,500mW,9295GHz(产品)GaN MMIC 3 W at 95 GHz80GHz80GHz到到100GHz,1W100GHz,1W20132013年年QuinStarQuinStar技术公司技术公司晶体管的常用范围4.2.4 场效应器件工作原理以以N N沟道沟道JFETJFET为例为例I IDSDS(V(VGSGS,V,VDSDS)1 1V VGSGS对沟道电阻及对沟道电阻及I IDSDS的控制作用的控制作用(a)V(a)VGSGS=0=0情况情况(b)(b)V VP PVVGSGS00的情况的情况(c)V(c)VGSGS
17、VVP P4.2.4 场效应器件工作原理2.V2.VDSDS对对I IDSDS的影响的影响(a)V(a)VDSDSVVGS-VP时4.2.4 场效应器件工作原理4.3 MMIC 工艺Step1:有源有源层层外延外延Step2:欧欧姆接姆接触触以以GaAsGaAs PHEMT PHEMT工艺为例工艺为例Step3:硼离子注入硼离子注入4.3 MMIC 工艺Step4:制作制作栅电极栅电极4.3 MMIC 工艺Step5:第一第一层层金金属属4.3 MMIC 工艺Step6:介介质层质层4.3 MMIC 工艺Step7:第二第二层层金金属属4.3 MMIC 工艺Step8:通孔制作通孔制作4.3
18、MMIC 工艺Step9:划划片道制作片道制作4.3 MMIC 工艺4.4 EDA技术为了设计为了设计MMICMMIC电路，设计者必须根据指标寻求电路电路，设计者必须根据指标寻求电路拓扑结构，然后通过拓扑结构，然后通过CADCAD技术技术MMICMMIC电路进行准确的电路进行准确的预测（仿真）。预测（仿真）。目前主流仿真工具有目前主流仿真工具有Agilent ADS,Ansoft Designer,Agilent ADS,Ansoft Designer,AWR Microwave OfficeAWR Microwave Office。仿真工具可以把仿真工具可以把MMICMMIC电路中的元部件通
19、过各自模电路中的元部件通过各自模型连接起来，然后通过微波理论对整个电路进行型连接起来，然后通过微波理论对整个电路进行时域或者频域的仿真。时域或者频域的仿真。4.4.1 S参数S 参数定义11122122 SSSSS211110abSa111220abSa222110abSa122220abSa4.3.2 无源元件模型 建模方法和技术建模方法和技术等效电路模型实际测试的S参数物理模型理论近似公式严格理论公式等效电路拓扑VNARLC严格理论公式或者自定义函数传输线电感螺旋电感参数的计算螺旋电感参数的计算)exp(1 twlRser电感：)32(ln2ltwtwllLs电感模型的验证电感模型的验证n
20、=9n=9L=166L=166 mmw=20w=20 mms=10s=10 mm)2/()/1(11fYimagL)/1(/)/1(1111YrealYimagQ 电感HFSS中的电感建模中的电感建模电感电容电容tWLC2012dCGtan12)/exp(1(2211tWLRRMIM MIM 电容模型电容模型cLZLL022114545.0022115.0cZLCCeff电容模型验证电容模型验证 m2Frequency(GHz)0510152025Imag(Y11)-3-2-1012MeasuredOur ModelEM Simulation电容电阻 通孔 空气桥其它元件4.4.3 有源器件模
21、型有源器件建模概述有源器件建模概述模型要求模型要求:1 1）能够真实反映器件工作时的物理特性；）能够真实反映器件工作时的物理特性；2 2）足够的精度，在很宽的频带内仍能保证足够的精度；）足够的精度，在很宽的频带内仍能保证足够的精度；3 3）在保证精度的前提下，模型简单；）在保证精度的前提下，模型简单；4 4）容易确定模型有关参量。）容易确定模型有关参量。5 5）能够准确预测器件工作时的线性和非线性特性。）能够准确预测器件工作时的线性和非线性特性。建模方法概述建模方法电路软件网络分析仪(S参数)I-V测试仪(I-V特性)建模软件(模型参数)代表性器件代表性器件模型模型第一代半导体第一代半导体Si
22、 CMOS，SiGe HBT,SiGe BiCMOSBSIM4，VBIC第二代半导体第二代半导体GaAs MESFETGaAs pHEMT,InP pHEMT，Curtice、TOM、Martaka、EEHEMT第三代半导体第三代半导体SiC MESFET，GaN异质结器件异质结器件HEMTModified models典型微波半导体器件及其模型典型微波半导体器件及其模型模型模型库的建立和使用模型库的建立和使用模型n Cadence Layout,LVS and DRC Check Circuit-Level Simulationn ADS Circuit-Level and EM Simul
23、ation Layout,DRC Checkn Ansoft HFSS EM-Level Simulationn AWR Microwave Office Circuit-Level and EM Simulation Layout,DRC Checkn IC-CAP Modelling SoftwareCo-simulationCo-simulation模型MMIC 工艺线MMICMMIC电路晶圆代工厂电路晶圆代工厂:TriquentWINUMSOMMIC TriquentWINUMSOMMIC Northrop Grumman RaytheonHRL LabNorthrop Grumman
24、 RaytheonHRL LabAgilentskyworksM/A-COMRFMDEudynaAgilentskyworksM/A-COMRFMDEudyna成本、频率、成本、频率、功率密度功率密度MMIC 工艺线4.5 MMIC 设计 Ka 波段四次谐波混频器波段四次谐波混频器MMICWhat？Why？How？What?毫米波混频器是接收毫米波混频器是接收/发射发射机系统中一个必不可少的部机系统中一个必不可少的部件。件。主要技术参数：主要技术参数：RFRF和和IFIF频率频率、CLCL、IRRIRR等。等。4.5 MMIC 设计fRFfLOfIMfIFfIFfIFfRFfLOfIFfRF-
25、fLO =fLO-fIM=fIF Why?4th 谐波可降低源频率的要求。4.5 MMIC 设计 How?1.1.指标：指标：RF:3438GHzRF:3438GHz；IF:03GHzIF:03GHz变频损耗变频损耗(CL)(CL)：20dB20dB:20dB2.2.综述：综述：了解行业内制作了解行业内制作“KaKa频段四次谐波混频器频段四次谐波混频器”的方法及的方法及其优缺点其优缺点”，为制定方案做准备。，为制定方案做准备。3.3.方案；方案；4.4.设计；设计；5.5.实验验证实验验证。4.5 MMIC 设计总体方案优点：1.变频损耗低；2.结构简单；缺点：隔离度中等工艺线选取设计软件选择
26、：设计软件选择：Agilent ADSAgilent ADS设计内容1-同相功分器设计内容2-90度移相器设计内容3-单平衡4次谐波混频器步骤1：原理图仿真步骤2：2.5维Momentum 仿真步骤3：原理图和场共仿真优化和布版布版布版仿真结果仿真结果实验验证4.6.1 MMIC的测试4.6 MMIC的测试和封装Agilent N5250C 10MHz110 GHzAnritsu ME7828A 70KHz110 GHzR&S ZVA110 10MHz110 GHz4.6 MMIC的测试和封装Agilent N5247A Up to 1.05THz;R&S ZVA500s Up to 500G
27、Hz；Anritsu ME7828A Up to 500GHz；第三方扩频收发组件：第三方扩频收发组件：美国的美国的OML(50500GHz);VDI(70GHz1.05THz);Farran(40325GHz)在片测试台在片测试台在片测试系统校准在片测试系统校准 Calibration短路短路-开路开路-负载负载-直通直通(SOLT)合适毫米波低端一下的同轴校准。合适毫米波低端一下的同轴校准。直通直通-反射反射-传输线传输线(TRL)/LRL 采用采用8误差项模型，未考虑隔离度误差；采用不同长度传输线完误差项模型，未考虑隔离度误差；采用不同长度传输线完成不同子频段的校准，导致子频段边缘出现不
28、连续性；精度不高。成不同子频段的校准，导致子频段边缘出现不连续性；精度不高。传输线传输线-反射反射-匹配匹配(LRM)为避免传输损耗、色散和传输线特性阻抗变浑影响，采用为避免传输损耗、色散和传输线特性阻抗变浑影响，采用50欧姆阻欧姆阻抗替代抗替代Line。传输线传输线-反射反射-反射反射-匹配匹配(LRRM)Cascades LRRM Cascades LRRM 校准比标准的校准比标准的 LRM LRM校准更为准确校准更为准确,它通过额外的反它通过额外的反射标准件将负载射标准件将负载-电感进行。电感进行。在片校准WinCal在片校准在片校准300mm Probe station在片校准负载牵引测试系统原理负载牵引测试系统4.6.2 MMIC封装封装对器件封装对器件有何影响？有何影响？小结本章要点：本章要点：1.MMIC概念概念2.半导体概念半导体概念3.半导体材料的关键参数有哪些？半导体材料的关键参数有哪些？4.无源元件等效电路建模无源元件等效电路建模5.场效应晶体管工作原理场效应晶体管工作原理6.镜频抑制混频器工作原理镜频抑制混频器工作原理
