毫米波技術方麵
，結合目前一些熱門的毫米波頻段的係統應用，如毫米波通信、毫米波成像以及毫米波雷達等，對毫米波芯片發展做了重點介紹。

 

1、毫米波芯片

傳統的毫米波單片集成電路主要采用化合物半導體工藝，如砷化镓(GaAs)、磷化銦(InP)等
，其在毫米波頻段具有良好的性能，是該頻段的主流集成電路工藝。另一方麵
，近十幾年來矽基(CMOS、SiGe 等) 毫米波亞毫米波集成電路也取得了巨大進展。此外，基於氮化镓(GaN) 工藝的大功率高頻器件也迅速拓展至毫米波頻段。下麵將分別進行介紹。

 

1.1 GaAs 和 InP 毫米波芯片

近十幾年來，GaAs 和 InP 工藝和器件得到了長足的進步。基於該類工藝的毫米波器件類型主要有高電子遷移率晶體管(HEMT)、改性高電子遷移率晶體管(mHEMT)和異質結雙極性晶體管(HBT)等。目前 GaAs 、mHEMT、InP、HEMT 和 InP HBT 的截止頻率(ft)均超過 500 GHz，最大振蕩頻率(fmax)均超過 1THz. 2015 年美國 Northrop Grumman 公司報道了工作於 0.85 THz 的 InP HEMT 放大器，2013 年美國 Teledyne 公司與加州理工大學噴氣推進實驗室報道了工作至 0.67 THz 的 InP HBT 放大器， 2012 年和 2014 年德國弗朗霍夫應用固體物理研究所報道了工作頻率超過 0.6 THz 的 mHEMT 放大器。

 

1.2 GaN 毫米波芯片

GaN 作為第 3 代寬禁帶化合物半導體，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強等優點，器件功率密度是 GaAs 功率密度的 5 倍以上，可顯著地提升輸出功率，減小體積和成本。隨著 20 世紀 90 年代 GaN 材料製備技術的逐漸成熟，GaN 器件和電路已成為化合物半導體電路研製領域的熱點方向，美國、日本、歐洲等國家將 GaN 作為微波毫米波器件和電路的發展重點。近十年來，GaN 的低成本襯底材料碳化矽(SiC)也逐漸成熟，其晶格結構與 GaN 相匹配
，導熱性好，大大加快 GaN 器件和電路的發展。近年來 GaN 功率器件在毫米波領域飛速發展


，日本 Eudyna 公司報道了 0.15 m 柵長的器件，在 30 GHz 功率輸出密度達 13.7 W/mm. 美國 HRL 報道了多款 E 波段
、W 波段與 G 波段的 GaN 基器件，W 波段功率密度超過 2 W/mm，在 180 GHz 上功率密度達到 296 mW/mm. 國內在微波頻段的 GaN 功率器件已基本成熟
，到 W 波段的 GaN 功率器件也取得進展。南京電子器件研究所研製的 Ka 波段 GaN 功率 MMIC 在 3436 GHz 頻帶內脈衝輸出功率達到 15W，附加效率 30%，功率增益大於 20 dB。

 

1.3 矽基毫米波芯片

guijigongyichuantongshangyishuzidianluyingyongweizhu。suizheshenyaweimihenamigongyidebuduanfazhan，guijigongyitezhengchicunbuduanjianxiao
，zhachangdesuoduanmibuledianziqianyilvdebuzu
， 從而使得晶體管的截止頻率和最大振蕩頻率不斷提高，這使得矽工藝在毫米波甚至太赫茲頻段的應用成為可能。國際半導體藍圖協會(InternaTIonal Technology Roadmap for Semiconductors)預測到 2030 年 CMOS 工藝的特征尺寸將減小到 5 nm

，而截止頻率 ft 將超過 700 GHz. 德國 IHP 研究所的 SiGe 工藝晶體管的截止頻率 ft 和最大振蕩頻率 fmax 都已經分別達到了 300 GHz 和 500 GHz，相應的矽基工藝電路工作頻率可擴展到 200 GHz 以上。

 

由you於yu矽gui工gong藝yi在zai成cheng本ben和he集ji成cheng度du方fang麵mian的de巨ju大da優you勢shi
，矽gui基ji毫hao米mi波bo亞ya毫hao米mi波bo集ji成cheng電dian路lu的de研yan究jiu已yi成cheng為wei當dang前qian的de研yan究jiu熱re點dian之zhi一yi。美mei國guo佛fo羅luo裏li達da大da學xue設she計ji了le 410 GHz CMOS 振蕩器，加拿大多倫多大學研製了基於 SiGe HBT 工藝的 170 GHz 放大器
、160 GHz 混頻器和基於 CMOS 工藝的 140 GHz 變頻器
，美國加州大學聖芭芭拉分校等基於 CMOS 工藝研製了 150 GHz 放大器等，美國康奈爾大學基於 CMOS 工藝研製了 480 GHz 倍頻器。在係統集成方麵， 加拿大多倫多大學設計了 140 GHz CMOS 接收機芯片和 165 GHz SiGe 的片上收發係統，美國加州大學柏克萊分校首次將 60 GHz 頻段矽基模擬收發電路與數字基帶處理電路集成在一塊 CMOS 芯片上
，新加坡微電子研究院也實現了包括在片天線的 60 GHz CMOS 收發信機芯片，美國加州大學洛杉磯分校報道了 0.54 THz 的頻率綜合器，德國烏帕塔爾綜合大學研製了 820 GHz 矽基 SiGe 有源成像係統，加州大學伯克利分校采用 SiGe 工藝成功研製了 380 GHz 的雷達係統。日本 NICT 等基於 CMOS 工藝實現了 300 GHz 的收發芯片並實現了超過 10 Gbps 的(de)傳(chuan)輸(shu)速(su)率(lv)，但(dan)由(you)於(yu)沒(mei)有(you)功(gong)率(lv)放(fang)大(da)和(he)低(di)噪(zao)聲(sheng)電(dian)路(lu)
，其(qi)傳(chuan)輸(shu)距(ju)離(li)非(fei)常(chang)短(duan)。通(tong)過(guo)采(cai)用(yong)矽(gui)基(ji)技(ji)術(shu)，包(bao)含(han)數(shu)字(zi)電(dian)路(lu)在(zai)內(nei)的(de)所(suo)有(you)電(dian)路(lu)均(jun)可(ke)集(ji)成(cheng)在(zai)單(dan)一(yi)芯(xin)片(pian)上(shang)，因(yin)此(ci)有(you)望(wang)大(da)幅(fu)度(du)降(jiang)低(di)毫(hao)米(mi)波(bo)通(tong)信(xin)係(xi)統(tong)的(de)成(cheng)本(ben)。

 

在毫米波亞毫米波矽基集成電路方麵我國大陸起步稍晚，但在國家 973 計劃


、863 計劃和自然科學基金等的支持下，已快速開展研究並取得進展。 東南大學毫米波國家重點實驗室基於 90 nm CMOS 工藝成功設計了 Q、V 和 W 頻段放大器、混頻器、VCO 等器件和 W 波段接收機、Q 波段多通道收發信機等，以及到 200 GHz 的 CMOS 倍頻器和到 520 GHz 的 SiGe 振蕩器等。

 

2
、毫米波電真空器件

毫米波集成電路具有體積小、成本低等很多優點
，但功率受限。為了獲得更高的輸出功率，可以采用電真空器件
，如加拿大 CPI 公司研製的速調管(Klystron)在 W 波段上獲得了超過 2000 W 的脈衝輸出功率，北京真空電子研究所研製的行波管(TWT)放大器在 W 波段的脈衝輸出功率超過了 100 W，電子科技大學在 W 波段上也成功設計了 TWT 功率放大器
， 中國科學院合肥物質科學研究院研製的迴旋管(Gyrotron)在 140 GHz 上獲得了 0.9 MW 的脈衝輸出功率，與國外水平相當。