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        毫米波器件發展現狀及石墨烯毫米波器件優勢

        通常,把30~300GHZ的頻域稱為近毫米波,把100~1000GHZ的頻域稱為遠毫米波,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,毫米波技術的應用范圍極廣,在雷達、通信、精密制導等軍事武器上發揮著越來越重要的作用。因此,近十幾年毫米波技術的發展十分迅速,已進入了蓬勃發展的新時代。

         

        發展毫米波器件一直是發展毫米波技術的先導,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的關鍵。

         

        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、噪聲系數為2.3dB;TGA4508的工作頻率為30~42GHz、增益為21dB、噪聲系數為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、噪聲系數小于2.0dB;ALH376的工作頻率為35~45GHz、增益大于12dB、噪聲系數小于2.0dB。

         

        2008年,美國mimix-broadband公司也發布了一款Q波段GaAs LNA芯片XB1005-BD,工作頻率為35~45GHz、增益為大于20dB、典型噪聲指數為2.7dB左右。

         

        2008年Triquint公司基于0.15um GaAs PHEMT工藝設計了V波段低噪聲放大器,其工作頻率為57~65GHz、增益為13dB、噪聲指數為4dB。

         

        目前大多數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、相控陣雷達等軍事應用。越來越多的GaN HEMT研究將工作頻率擴展到Ka波段(26-40GHz)甚至毫米波段,目標是取代行波管放大器應用于雷達以及衛星和寬帶無線通訊。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的抑制對器件結構的設計提出了新的挑戰。

        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1.4×1013cm-2,遷移率1350cm2/Vs,MBE外延材料的二維電子氣濃度為1.0×1013cm-2,遷移率1500cm2/Vs。器件的最大電流為1200-1400mA/mm,最大跨導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。鈍化介質的寄生參數和短溝道效應是導致器件頻率特性不太理想主要原因。去除鈍化介質后,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,調制效率降低。短溝道效應導致器件出現軟夾斷、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,形成雙異質結結構,可以加強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的導帶不連續,因此加強了對二維電子氣的束縛。柵長為150nm的GaN HEMT跨導曲線隨漏電壓的變化,普通GaN HEMT的跨導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的改善,其中fmax提高了18%。在去除鈍化介質后,100nm柵長帶InGaN背勢壘層的GaN HEMT fT最高達153GHz,fmax最高達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,西方發達國家特別是美國在繼續提升器件高頻特性,不斷優化制作工藝的同時,也逐步開展了InP PHEMT單片集成電路的研究,研發了多款Q波段單片集成電路;取得了InP MMIC方面的絕對優勢,眾多產品已經實現了裝備化,這種領先的電子裝備不但使他們的軍事實力大大增強,而且在未來的外太空探索和宇宙開發中占得先機。美國休斯公司采用InP HEMT工藝研發了一款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、噪聲系數小于2.0dB。

         

        在應用用領域,HXi公司和quinstar公司是美國具有代表性的兩家毫米波系統應用公司,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,噪聲系數分別為4.0dB和5.5dB;quinstar公司有多種Q波段低噪聲放大器產品,其噪聲系數在3.5-4.5dB左右,增益在18-46dB之間分布。

         

        石墨烯毫米波器件優勢

        由于電子在石墨烯中可不被散射而進行傳輸,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系統級芯片(SoC)應用。

         

        石墨烯器件工藝與傳統的CMOS工藝兼容,是器件關鍵材料的更新換代的首選。專家預測石墨烯的研究成果將對高端軍用系統的創新發展產生難以估量的沖擊力,包括毫米波精密成像系統、毫米波超寬帶通信系統、雷達及電子戰系統等。

         

        石墨烯由于其特有的高遷移率、好的噪聲性能等,在低噪聲放大應用中有很大的優勢,能廣泛的應用于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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