對于毫米波,，大家或多或少有所耳聞,，如5G毫米波,、毫米波通信,、毫米波雷達(dá)等專業(yè)術(shù)語,。在本文中,，主要將對毫米波器件的發(fā)展現(xiàn)狀以及石墨烯毫米波器件" target="_blank">石墨烯毫米波器件的優(yōu)勢加以探討,。如果你對這兩大部分內(nèi)容存在一定興趣，不妨繼續(xù)往下閱讀哦,。
通常,，把30~300GHZ的頻域稱為近毫米波，把100~1000GHZ的頻域稱為遠(yuǎn)毫米波,，把300~3000GHZ的頻域稱為亞毫米波,。這段電磁頻譜與微波相比具有以下特點：頻帶極寬、波束窄,、方向性好,，有極高的分辨率;有較寬的多普勒帶寬，可提高測量精度,。它與激光和紅外波段相比,，具有穿透煙霧、塵埃的能力,，基本上可全天候工作,。由于有以上的特點，毫米波技術(shù)的應(yīng)用范圍極廣,，在雷達(dá),、通信、精密制導(dǎo)等軍事武器上發(fā)揮著越來越重要的作用,。因此,，近十幾年毫米波技術(shù)的發(fā)展十分迅速，已進(jìn)入了蓬勃發(fā)展的新時代,。
發(fā)展毫米波器件一直是發(fā)展毫米波技術(shù)的先導(dǎo),，研制寬帶、低噪聲,、大功率,、高效率、高可靠,、長壽命、多功能的毫米波器件是該技術(shù)的關(guān)鍵,。
2002年美國Triquint公司采用0.15um GaAs PHEMT工藝推出了兩款8mm低噪聲放大器——TGA4507和TGA4508,。其中,，TGA4507的工作頻率為28～36GHz、增益為22dB,、噪聲系數(shù)為2.3dB;TGA4508的工作頻率為30～42GHz,、增益為21dB、噪聲系數(shù)為2.8dB,。
HitTIte公司代銷了NGST的兩款低噪聲芯片HMC-ALH369,、HMC-ALH376，兩款芯片均為GaAs HEMT工藝,，其中ALH369工作頻率為24～40GHz,、增益大于18dB、噪聲系數(shù)小于2.0dB;ALH376的工作頻率為35～45GHz,、增益大于12dB,、噪聲系數(shù)小于2.0dB。
2008年,，美國mimix-broadband公司也發(fā)布了一款Q波段GaAs LNA芯片XB1005-BD,，工作頻率為35～45GHz、增益為大于20dB,、典型噪聲指數(shù)為2.7dB左右,。
2008年Triquint公司基于0.15um GaAs PHEMT工藝設(shè)計了V波段低噪聲放大器，其工作頻率為57～65GHz,、增益為13dB,、噪聲指數(shù)為4dB。
目前大多數(shù)GaN HEMT研究針對的頻段為S波段和X波段,，在S波段主要用于移動通信基站,，在X波段主要有電子對抗、相控陣?yán)走_(dá)等軍事應(yīng)用,。越來越多的GaN HEMT研究將工作頻率擴(kuò)展到Ka波段(26-40GHz)甚至毫米波段,，目標(biāo)是取代行波管放大器應(yīng)用于雷達(dá)以及衛(wèi)星和寬帶無線通訊。工作頻率的提高要求器件的柵長不斷縮小,，對于Ka以上波段的GaN HEMT柵長一般小于300nm,，甚至要達(dá)到100nm左右。柵長的縮短一方面增加了工藝難度,，更為重要的是短溝道效應(yīng)的抑制對器件結(jié)構(gòu)的設(shè)計提出了新的挑戰(zhàn),。
MOCVD GaN HEMT在40GHz的微波功率測試結(jié)果
加入In0.1Ga0.9N背勢壘層的GaN HEMT導(dǎo)帶示意圖
Mishra等人研制了柵長為160nm GaN HEMT器件，所用MOCVD外延材料的二維電子氣濃度為1.4&TImes;1013cm-2,，遷移率1350cm2/Vs,，MBE外延材料的二維電子氣濃度為1.0&TImes;1013cm-2，遷移率1500cm2/Vs,。器件的最大電流為1200-1400mA/mm,，最大跨導(dǎo)400-450mS/mm,，擊穿電壓大于80V，fT 60-70GHz,，fmax 85-100GHz,。MOCVD GaN HEMT在40GHz的微波功率測試結(jié)果顯示，漏電壓為30V時,，最大輸出功率密度為10.5W/mm,，PAE為33%。MBE GaN HEMT也顯示了很好的微波功率結(jié)果,，在40GHz漏電壓為30V時,，最大輸出功率密度為8.6W/mm，PAE為29%,。但是,，較低的PAE和fmax限制了器件的增益，只有5-7dB,。鈍化介質(zhì)的寄生參數(shù)和短溝道效應(yīng)是導(dǎo)致器件頻率特性不太理想主要原因,。去除鈍化介質(zhì)后，器件的fT 提高到130GHz,，fmax 提高到140-170GHz,。
器件的柵長過短使得柵對二維電子氣的束縛減弱，調(diào)制效率降低,。短溝道效應(yīng)導(dǎo)致器件出現(xiàn)軟夾斷,、夾斷電壓漂移、夾斷電流高以及輸出阻抗增加等問題,。在溝道中加入禁帶較窄的材料如InGaN,，形成雙異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)，可以加強(qiáng)對二維電子氣的束縛,。但是溝道中InGaN的加入降低了器件的擊穿電壓,，因而降低了器件的輸出功率。為了在加強(qiáng)對二維電子氣的束縛的同時不降低擊穿電壓,，Mishra等人將1nm厚的In0.1Ga0.9N加入到GaN緩沖層和GaN溝道之間,。如上圖所示，1nm的In0.1Ga0.9N背勢壘層造成溝道和緩沖層之間0.2eV的導(dǎo)帶不連續(xù),，因此加強(qiáng)了對二維電子氣的束縛,。柵長為150nm的GaN HEMT跨導(dǎo)曲線隨漏電壓的變化，普通GaN HEMT的跨導(dǎo)特性隨漏電壓的增大不斷退化,，夾斷電壓從漏電壓10V時的-5V減小到50V時的-8V以下,，而且夾斷特性明顯變差;而對于帶InGaN背勢壘層的GaN HEMT，夾斷電壓在相同條件下只是從-3V減小-4V,，在漏電壓為50V時夾斷特性仍然非常好,。器件的頻率特性也得到了相應(yīng)的改善,，其中fmax提高了18%。在去除鈍化介質(zhì)后,，100nm柵長帶InGaN背勢壘層的GaN HEMT fT最高達(dá)153GHz，fmax最高達(dá)230GHz,。功率測試表明,，功率密度雖然沒有明顯提高，但PAE從50%提高到64-69%,。
最近,，西方發(fā)達(dá)國家特別是美國在繼續(xù)提升器件高頻特性，不斷優(yōu)化制作工藝的同時,，也逐步開展了InP PHEMT單片集成電路的研究,，研發(fā)了多款Q波段單片集成電路;取得了InP MMIC方面的絕對優(yōu)勢，眾多產(chǎn)品已經(jīng)實現(xiàn)了裝備化,，這種領(lǐng)先的電子裝備不但使他們的軍事實力大大增強(qiáng),，而且在未來的外太空探索和宇宙開發(fā)中占得先機(jī)。美國休斯公司采用InP HEMT工藝研發(fā)了一款Q波段低噪聲放大器,。其中,，工作頻率為43.3～45.7GHz、增益大于20dB,、噪聲系數(shù)小于2.0dB,。
在應(yīng)用用領(lǐng)域，HXi公司和quinstar公司是美國具有代表性的兩家毫米波系統(tǒng)應(yīng)用公司,，HXi公司目前有兩款通用型Q波段低噪聲放大器HLNAAK-066和HLNAB-282,，增益分別為24dB和16dB左右，噪聲系數(shù)分別為4.0dB和5.5dB;quinstar公司有多種Q波段低噪聲放大器產(chǎn)品,，其噪聲系數(shù)在3.5-4.5dB左右,，增益在18-46dB之間分布。
石墨烯毫米波器件優(yōu)勢：
由于電子在石墨烯中可不被散射而進(jìn)行傳輸,，用其制備的晶體管尺寸更小,、速度更快，能耗更低,，適于高性能,、高集成度的RF系統(tǒng)級芯片(SoC)應(yīng)用。
石墨烯器件工藝與傳統(tǒng)的CMOS工藝兼容,，是器件關(guān)鍵材料的更新?lián)Q代的首選,。專家預(yù)測石墨烯的研究成果將對高端軍用系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展產(chǎn)生難以估量的沖擊力，包括毫米波精密成像系統(tǒng),、毫米波超寬帶通信系統(tǒng),、雷達(dá)及電子戰(zhàn)系統(tǒng)等,。
石墨烯由于其特有的高遷移率、好的噪聲性能等,，在低噪聲放大應(yīng)用中有很大的優(yōu)勢,，能廣泛的應(yīng)用于W波段以及以上波段的毫米波單片集成電路(MMIC)和低噪聲放大器等電路中，因而成為近期研究的一個熱點,。
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