你所不知道的毫米波，石墨烯毫米波器件探讨

       

       对于毫米波，大家或多或少有所耳闻，如5G毫米波、毫米波通信、毫米波雷达等专业术语。在本文中，主要将对毫米波器件的发展现状以及石墨烯毫米波器件"石墨烯毫米波器件的优势加以探讨。

       通常，把30~300GHZ的频域称为近毫米波，把100~1000GHZ的频域称为远毫米波，把300~3000GHZ的频域称为亚毫米波。这段电磁频谱与微波相比具有以下特点：频带极宽、波束窄、方向性好，有极高的分辨率;有较宽的多普勒带宽，可提高测量精度。它与激光和红外波段相比，具有穿透烟雾、尘埃的能力，基本上可全天候工作。由于有以上的特点，毫米波技术的应用范围极广，在雷达、通信、精密制导等军事武器上发挥着越来越重要的作用。因此，近十几年毫米波技术的发展十分迅速，已进入了蓬勃发展的新时代。

       发展毫米波器件一直是发展毫米波技术的先导，研制宽带、低噪声、大功率、高效率、高可靠、长寿命、多功能的毫米波器件是该技术的关键。

       2002年美国Triquint公司采用0.15um GaAs PHEMT工艺推出了两款8mm低噪声放大器——TGA4507和TGA4508。其中，TGA4507的工作频率为28～36GHz、增益为22dB、噪声系数为2.3dB;TGA4508的工作频率为30～42GHz、增益为21dB、噪声系数为2.8dB。

       HitTIte公司代销了NGST的两款低噪声芯片HMC-ALH369、HMC-ALH376，两款芯片均为GaAs HEMT工艺，其中ALH369工作频率为24～40GHz、增益大于18dB、噪声系数小于2.0dB;ALH376的工作频率为35～45GHz、增益大于12dB、噪声系数小于2.0dB。

       2008年，美国mimix-broadband公司也发布了一款Q波段GaAs LNA芯片XB1005-BD，工作频率为35～45GHz、增益为大于20dB、典型噪声指数为2.7dB左右。

2008年Triquint公司基于0.15um GaAs PHEMT工艺设计了V波段低噪声放大器，其工作频率为57～65GHz、增益为13dB、噪声指数为4dB。

       目前大多数GaN HEMT研究针对的频段为S波段和X波段，在S波段主要用于移动通信基站，在X波段主要有电子对抗、相控阵雷达等军事应用。越来越多的GaN HEMT研究将工作频率扩展到Ka波段(26-40GHz)甚至毫米波段，目标是取代行波管放大器应用于雷达以及卫星和宽带无线通讯。工作频率的提高要求器件的栅长不断缩小，对于Ka以上波段的GaN HEMT栅长一般小于300nm，甚至要达到100nm左右。栅长的缩短一方面增加了工艺难度，更为重要的是短沟道效应的抑制对器件结构的设计提出了新的挑战。

 

MOCVD GaN HEMT在40GHz的微波功率测试结果

加入In0.1Ga0.9N背势垒层的GaN HEMT导带示意图

 

       Mishra等人研制了栅长为160nm GaN HEMT器件，所用MOCVD外延材料的二维电子气浓度为1.4&TImes;1013cm-2，迁移率1350cm2/Vs，MBE外延材料的二维电子气浓度为1.0&TImes;1013cm-2，迁移率1500cm2/Vs。器件的最大电流为1200-1400mA/mm，最大跨导400-450mS/mm，击穿电压大于80V，fT 60-70GHz，fmax 85-100GHz。MOCVD GaN HEMT在40GHz的微波功率测试结果显示，漏电压为30V时，最大输出功率密度为10.5W/mm，PAE为33%。MBE GaN HEMT也显示了很好的微波功率结果，在40GHz漏电压为30V时，最大输出功率密度为8.6W/mm，PAE为29%。但是，较低的PAE和fmax限制了器件的增益，只有5-7dB。钝化介质的寄生参数和短沟道效应是导致器件频率特性不太理想主要原因。去除钝化介质后，器件的fT 提高到130GHz，fmax 提高到140-170GHz。

       器件的栅长过短使得栅对二维电子气的束缚减弱，调制效率降低。短沟道效应导致器件出现软夹断、夹断电压漂移、夹断电流高以及输出阻抗增加等问题。在沟道中加入禁带较窄的材料如InGaN，形成双异质结结构，可以加强对二维电子气的束缚。但是沟道中InGaN的加入降低了器件的击穿电压，因而降低了器件的输出功率。为了在加强对二维电子气的束缚的同时不降低击穿电压，Mishra等人将1nm厚的In0.1Ga0.9N加入到GaN缓冲层和GaN沟道之间。如上图所示，1nm的In0.1Ga0.9N背势垒层造成沟道和缓冲层之间0.2eV的导带不连续，因此加强了对二维电子气的束缚。栅长为150nm的GaN HEMT跨导曲线随漏电压的变化，普通GaN HEMT的跨导特性随漏电压的增大不断退化，夹断电压从漏电压10V时的-5V减小到50V时的-8V以下，而且夹断特性明显变差;而对于带InGaN背势垒层的GaN HEMT，夹断电压在相同条件下只是从-3V减小-4V，在漏电压为50V时夹断特性仍然非常好。器件的频率特性也得到了相应的改善，其中fmax提高了18%。在去除钝化介质后，100nm栅长带InGaN背势垒层的GaN HEMT fT最高达153GHz，fmax最高达230GHz。功率测试表明，功率密度虽然没有明显提高，但PAE从50%提高到64-69%。

       最近，西方发达国家特别是美国在继续提升器件高频特性，不断优化制作工艺的同时，也逐步开展了InP PHEMT单片集成电路的研究，研发了多款Q波段单片集成电路;取得了InP MMIC方面的绝对优势，众多产品已经实现了装备化，这种领先的电子装备不但使他们的军事实力大大增强，而且在未来的外太空探索和宇宙开发中占得先机。美国休斯公司采用InP HEMT工艺研发了一款Q波段低噪声放大器。其中，工作频率为43.3～45.7GHz、增益大于20dB、噪声系数小于2.0dB。

在应用用领域，HXi公司和quinstar公司是美国具有代表性的两家毫米波系统应用公司，HXi公司目前有两款通用型Q波段低噪声放大器HLNAAK-066和HLNAB-282，增益分别为24dB和16dB左右，噪声系数分别为4.0dB和5.5dB;quinstar公司有多种Q波段低噪声放大器产品，其噪声系数在3.5-4.5dB左右，增益在18-46dB之间分布。

       石墨烯毫米波器件优势：

       由于电子在石墨烯中可不被散射而进行传输，用其制备的晶体管尺寸更小、速度更快，能耗更低，适于高性能、高集成度的RF系统级芯片(SoC)应用。

       石墨烯器件工艺与传统的CMOS工艺兼容，是器件关键材料的更新换代的首选。专家预测石墨烯的研究成果将对高端军用系统的创新发展产生难以估量的冲击力，包括毫米波精密成像系统、毫米波超宽带通信系统、雷达及电子战系统等。

       石墨烯由于其特有的高迁移率、好的噪声性能等，在低噪声放大应用中有很大的优势，能广泛的应用于W波段以及以上波段的毫米波单片集成电路(MMIC)和低噪声放大器等电路中，因而成为近期研究的一个热点。