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[科技] 单片微波集成电路(MMIC)技术的发展历史简介

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_Marlboro_ 发表于 2022-4-3 06:14:14 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
砷化镓(GaAs)在MMIC的发展中得到了广泛的应用，因为它既适合于高频晶体管，也适合于制成低损耗的无源组件。 使稳定的高电阻率GaAs材料的技术成为可能是当出现液体包裹的CzochrAIski(LEC)方法生长GaAs锭时。 在马尔文的皇家雷达机构，对使用三氧化硼封装剂生长GaAs的方法进行了大量的早期研究， 这种方法今天还在使用中。 水平Bridgman方法在产生低位错密度的同时，直接产生所需的高电阻率，使GaAs成为微波元件的合适衬底。 利用GaAs制造晶体管的开创性研究是由JimTumer在Plesscy研究(Caswell)首次进行的，在那里，早期令人失望的GaAs双极晶体管经验导致了1962年对GaAs场效应晶体管的浓厚兴趣。 首个器件具有24 um的大栅极长度，并且能在VHF波段产生功率增益。 在1967年，业界制造出了一个4 um栅极长度的器件，在1GHz下产生10dB增益， 这也成为首个商用的器件，被称为GAT1，由普莱西光电和微波有限公司销售。 电子束光刻技术的发展使第一个1 um的器件于1971年生产出来，在10GHz频段也能提供增益，这后来被制成为GAT3在市场中销售。 在上个世纪70年代的头十年里仅有卡斯韦尔（Caswcll）和IBM（苏黎世）对 GaAs MESFET工艺技术有兴趣。

随着这种产生高性能的微波晶体管的活跃性高涨，带微带电路的半导体器件的概念已经被研究。 第一个GaAs MMIC是包含二极管和微带线的简单电路，结果由德克萨斯仪器于1968年报道：Mao，Jones和Vendclin给出了使用肖特基势垒二极管的单端94G Hz混频器的结果，并描述了单片Gunn二极管振荡器和倍频器的设计(但是没有给出测量的性能）。 在同一问题上，Mehal和Wacker介绍了94GHz平衡混频器和30GHz Gunn振荡器的设计。 然而，他基于晶体管的MMIC可能是由卡斯韦尔（Caswell）的硅IC设计者MichaelGay首次构思的，他创建了一个5GHz接收机芯片的布局，该芯片使用带有电容器、电感和电阻的MESFET，如图1所示。 虽然这是从未意识到的，但这一想法导致在卡斯韦尔（Caswell）制造了世界上首个GaAs FET MMIC，由Pengelly和Turner报告，如图2所示；这是一个基于GAT3器件的单级X波段放大器，但具有集成的环路电感和数字间电容器。 稍后，Joshi等人给出了业界首个个FET MMIC振荡器在J波段工作的结果。

在这些早期的成功之后，全世界对GaAs的兴趣大大增加，到1979年，IEEE成立了一个专门讨论GaAs IC发展的研讨会。 自那时以来，已经发表了数千篇论文，其中许多是由于设备技术的进步，这些技术产生了更高的频率和更好的性能。 然而，有一些论文提出了真正重要的新技术；这些论文吸引了全世界的兴趣，它们的贡献成为MMIC发展历史上真正的里程碑。 现在介绍了其中一些特别值得注意的文件，并事先向那些工作可能被错过的研究人员道歉。 1981年，Hombuckle和Van Tuyl给出了完全使用晶体管和电平移位二极管的直接耦合放大器的结果。 1982年，Jamison等人介绍了使用平面螺旋变压器的MMIC放大器的设计，并将该技术推广到具有极高封装密度的接收机芯片中。 对于MMIC放大器的设计，展示了并联和串联反馈技术，这两种技术都显示了MMIC固有的良好控制寄生的优势。

单片微波集成电路(MMIC)技术的发展历史简介 第1张图片

图1、1969年开创性的MM1C布局：GaAs集成电路-5GHz接收芯片


单片微波集成电路(MMIC)技术的发展历史简介 第2张图片

图2、世界上首个MMIC放大器


在功率放大器设计中，随着Pavlidis描述的集群匹配（cluster matching）技术的引入，MMIC遇到的热和匹配问题得到了很大程度的克服。 对于宽带放大器，重新研究了行波（travelling-wave）（或分布式（distributed））放大器技术，充分利用了MESFET的高性能和MMIC的低寄生性：1982年，Strid和Gleeson发表了一篇特别重要的论文，描述了DC-12G Hz分布放大器，以及一些有史以来第一次的结果晶圆级射频(RFOW，RF-on-wafer)测量的结果。 多年来，各种公司一直在竞争分布式放大器的性能指标。 然而，Kennan等人报告的电路尺寸很小并且性能仍然是显著的，电感内的耦合实际上被用来提高性能。 对于高功率，分布式放大器一直处于劣势，但Ayasli等人1984年提出的电容耦合分布式放大器技术表明，功率的限制并非是不可克服的。

当HEMT变得可用时，分布式放大器进入了一个新的时代，Majidy-Ahyelal在1990年报告使用共面波导的InP MMIC分布式放大器的5-100GHz带宽重新定义了分布式放大器的带宽标准。 Pavio演示的分布式放大技术的其他电路功能以及宽带混频器和有源巴伦得到了相当大的好评和广泛的兴趣。 在欧洲，人们对卫星电视接收机产生了极大的兴趣，第一批12GHz MMIC接收机芯片是重要的里程碑

片上天线首先在二极管混频器接收机中展示出来了，因为它们的大小决定了它们主要用于毫米波段。 现在毫米波HEMT技术已经成熟，片上天线元件更令人感兴趣，因此晶圆级有源相控阵已经被提出。 为了使电路小型化技术，有源技术一直是人们感兴趣的技术；Schindler等人提出了在横向分布式放大器拓扑中使用FETs的有源滤波器， 并由Hara等人提出了有源电感，这些都是在1989年发生的。 Hirota等人证明，‘Uniplanar（共面）’的MMIC采用共面波导和槽线设计技术，提供了一个巨大的新电路，和平冈等演示了第一批采用薄膜微带技术的多层电路之一。这些概念得到了进一步的发展，并最终导致了三维MMIC技术的出现。

就新的电路设计技术而言，20世纪80年代肯定代表了MMIC设计师的鼎盛时期。 在20世纪90年代，新器件的发展非常迅速，HEMT放大器通过100G Hz势垒，GaAs HBT提供了新水平的高功率性能，即使在毫米波范围内SiGe技术正在开发以开始挑战I1I-V材料的优势地位。 20世纪90年代的另一个重大发展是日益强调MMIC技术在通信中的民用应用，以及无线电革命的首个迹象是因为低成本的MMIC收发器使新的系统成为可能。 因此，设计人员经常采用既定的电路思想，但更多地使用CAD工具，以实现复杂的多功能MMIC，同时小型化电路区域来实现海量制造。

商用电磁仿真模拟器在20世纪90年代末变得广泛使用，并大大提高了设计者以更大的信心建模电路的能力。 随着我们进入新的千年，很明显，系统集成是一个主要的驱动力，因为制造成本的压力直接推动产品解决方案的组件数量越来越少。 同样，特别是在通信应用中，数字和模拟功能的集成是一个很大的发展趋势，软件无线电等技术越来越受欢迎。 这种不同功能的集成给硅技术在低GHz范围内的直接应用带来了巨大的推动力，在那里有如此多的无线系统同时运行。


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