毫米波長(zhǎng)范圍（30-300GHz）內(nèi)除了其較低端外，還沒(méi)有很好地被利用。而在成像，安全，醫(yī)療，和短距離無(wú)線(xiàn)傳輸以及數(shù)據(jù)速率不斷提高的光纖傳輸中的新應(yīng)用可能會(huì)迅速地改變這種狀態(tài)[1]，[2]。在過(guò)去的三十年里，III-V 技術(shù)（GaAs 和InP）已經(jīng)逐漸擴(kuò)大到這個(gè)毫米波范圍中。新近以來(lái)，由于工藝尺寸持續(xù)不斷地減小，硅技術(shù)已經(jīng)加入了這個(gè)“游戲”。

在本文中，按照半導(dǎo)體特性和器件要求，對(duì)可用于100-GHz 和100-Gb/s 應(yīng)用的半導(dǎo)體有源器件進(jìn)行了綜述。隨后介紹了使用最廣泛的技術(shù)，接著是兩個(gè)不同方面具有競(jìng)爭(zhēng)性的技術(shù)現(xiàn)狀：分頻器，來(lái)說(shuō)明該技術(shù)適宜用在高速數(shù)字電路中，以及振蕩器，用來(lái)說(shuō)明其在模擬電路應(yīng)用中的性能。

材料和工藝的基本特性

半導(dǎo)體材料的特性

運(yùn)行在很高頻率下的電子器件所表現(xiàn)的性能主要與：1)組成半導(dǎo)體的材料特性和2)器件的結(jié)構(gòu)有關(guān)[3]。Si，GaAs 和InP 是目前具有截止頻率在300GHz 及以上的器件所選擇的材料。在表1，人們給出了一些相關(guān)的表征能隙，載流子輸運(yùn)特性和導(dǎo)熱性的參數(shù)。同樣也報(bào)道了與InP，GaN 和InAs 晶格相匹配的InGaAs 的特性。

擁有一個(gè)足夠大能隙（Eg>1eV ）是很有利的，這是因?yàn)樗�可以提供好的擊穿特性。Si，GaAs 和InP 在100nm 實(shí)際上可以承受幾伏的電壓水平；此外，p-n 結(jié)顯示出很明晰的整流行為，室溫下的泄漏電流可以忽略不計(jì)。采用GaN 可以獲得更高的擊穿電壓，InAs 因?yàn)槠淠芟逗艿投�只能用于電壓很低的器件�?/P>

III-V 材料中的電子遷移率比硅的要大，這意味著在給定的摻雜濃度下，n-型接觸區(qū)具有較低的串聯(lián)電阻，而對(duì)于p-型 區(qū)來(lái)說(shuō)，由于III-V 材料較低的空穴遷移率，情況則恰恰相反。然而，在器件的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)控制跨導(dǎo)和渡越時(shí)間的載流子速度與取決于載流子類(lèi)型的飽和漂移速度相接近（Vsat 或Vsath′取決于載流子的類(lèi)型；接近于10nm/ps）。由于暫態(tài)效應(yīng)（電子從導(dǎo)帶中的低能級(jí)，高遷移率能谷到達(dá)較高能級(jí)，較低遷移率能谷的轉(zhuǎn)換不是瞬間發(fā)生的），電子的傳輸通常會(huì)受益于一些過(guò)沖量；例如，根據(jù)具有薄集電極的InP異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管（HBT）的基極到集電極的渡越時(shí)間所推導(dǎo)出的有效速度大于3×107cm/s，大約是飽和速度的5 倍[5]。

甚高頻率性能意味著較短的渡越時(shí)間和較低的RC寄生量；對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管（FET）和雙極性晶體管來(lái)說(shuō)，這通常可以通過(guò)減小電子器件的尺寸和提高電流密度來(lái)實(shí)現(xiàn)（例如，見(jiàn)[6]）。對(duì)于極高頻器件和電路來(lái)說(shuō)，熱導(dǎo)率則成為一個(gè)重要的參數(shù)，硅在與其III-V 技術(shù)的對(duì)手相比時(shí)，其所具有的良好的導(dǎo)熱性便成為一個(gè)真正的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@有可能達(dá)到更高的器件密度。

基于III-V 技術(shù)的早期單片微波集成電路（MMIC）的主要優(yōu)點(diǎn)之一要?dú)w因于未摻雜（或補(bǔ)償）基片的半絕緣特性，這是與其大的半導(dǎo)體能隙直接相關(guān)的（基片的電阻率為108Ω.cm 的數(shù)量級(jí)，而硅的電阻率為104Ω.cm）。這使得可以實(shí)現(xiàn)具有低關(guān)聯(lián)寄生效應(yīng)的電阻，電感和傳輸線(xiàn)。隨著近來(lái)巨大的微波應(yīng)用市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)（例如，移動(dòng)電話(huà)網(wǎng)絡(luò)），在硅基技術(shù)上引入無(wú)源器件這方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。此外，絕緣體加載硅基片技術(shù)（SOI）已經(jīng)展示出其降低寄生效應(yīng)的潛力（然而，這是以較低的基片導(dǎo)熱率為代價(jià)的）。

服務(wù)于高頻應(yīng)用的FET 和雙極性晶體管

今天，適用于高頻應(yīng)用的雙極性晶體管和FET 是基于異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的（除了是硅基MOSFET 以外）。對(duì)異質(zhì)結(jié)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)有40 多年了，并且在材料和晶格應(yīng)力方面還在不斷地發(fā)展著。兩種不同材料（具有同樣的晶體結(jié)構(gòu)和同樣的晶格參數(shù)）之間的異質(zhì)結(jié)主要是由它們的能隙差異，以及由這種差異所區(qū)分的導(dǎo)帶和價(jià)帶的階躍方式來(lái)表征的（表2）。在晶體管的有源區(qū)，異質(zhì)結(jié)被用來(lái)達(dá)到兩個(gè)不同的目的：

• 不論它們各自的摻雜濃度如何，保證雙極性晶體管中從發(fā)射極向基極注入的是電子占主導(dǎo)地位的載流子• 在高電子遷移率晶體管（HEMT）中將電子局限在未摻雜的量子肼中。

雖然最初是針對(duì)晶格匹配異質(zhì)結(jié)來(lái)實(shí)施的，但很快就顯示出用在失配異質(zhì)結(jié)中也可以增強(qiáng)性能，條件是應(yīng)力結(jié)晶層是在假晶厚度的極限內(nèi)（如果生長(zhǎng)層足夠薄，其晶格常數(shù)會(huì)調(diào)整到基片的晶格常數(shù)）。這種特性被用在HBT 中（例如漸變組分的方法，graded-composition）來(lái)生成具有短的渡越時(shí)間的基極層，以及高遷移率HEMT 的溝道層。在臨界厚度以上，（失配程度越高，層厚就越薄），生長(zhǎng)層松弛下來(lái)，在晶體結(jié)構(gòu)中便會(huì)出現(xiàn)晶格脫位。這種現(xiàn)象仍然可以被用來(lái)在基片的頂部生成具有不同晶格參數(shù)的高質(zhì)量晶體層，在中間有一個(gè)過(guò)渡層（緩沖層）來(lái)俘獲大多數(shù)的脫位。例如，這種結(jié)構(gòu)可以在被稱(chēng)為改性（metamorphic）HEMT 中找到，在松弛緩沖層之上又生長(zhǎng)了一層高質(zhì)量的活性異質(zhì)結(jié)構(gòu)。特別是，變性結(jié)構(gòu)允許采用極高遷移率的InAs 溝道[7]，[8]。

目前，可以預(yù)見(jiàn)幾種服務(wù)于100-GHz 和100-Gb/s應(yīng)用的技術(shù)：GaAs 和InP HEMT；InP 和SiGe HBT，這些技術(shù)在過(guò)去的十年中已經(jīng)在使用之中了；以及硅CMOS 技術(shù)，從最近的一些情況來(lái)看，它似乎要發(fā)揮作用了。很有前景的技術(shù)如GaN HEMT 以及那些采用小能隙材料的技術(shù)同樣可以進(jìn)入這個(gè)“游戲”。到目前為止，由于GaN HEMT 非凡的微波和毫米波功率容量，人們已對(duì)其進(jìn)行了開(kāi)發(fā)[9]。此外，與晶體結(jié)構(gòu)相關(guān)的壓電效應(yīng)所帶來(lái)的高界面電子密度（大約1013cm-2）可以用來(lái)補(bǔ)償相對(duì)較低的載流子遷移率，如果特定的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以產(chǎn)生低接觸電阻的話(huà)，那么使其具有甚高頻率性能似乎也是可行的[10]。

HBT 與FET 的差別

除了FET 是單極性器件以外（只有一種類(lèi)型的載流子參與晶體管的運(yùn)行，而一個(gè)雙極性器件則意味著兩種類(lèi)型的載流子都參與運(yùn)行），在雙極性和FET 技術(shù)之間還可以觀(guān)察到幾種差別，特別是：

• HBT 器件具有指數(shù)性的驅(qū)動(dòng)特性[就是說(shuō)，集電極電流與輸入電壓之間的依賴(lài)關(guān)系是指數(shù)性的：icαexp(Vbe/kT)]，而FET 器件的則是平方的關(guān)系[漏極電流隨著電壓的平方而變化的：idsαk(Vgs2)]。對(duì)于HEMT 來(lái)說(shuō)，這種關(guān)系轉(zhuǎn)化為具有較大分散性的門(mén)限電壓。這便是為什么高速數(shù)字或混合信號(hào)集成電路（IC）通常采用HBT 技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)的原因（但請(qǐng)記住CMOS 在數(shù)字集成電路芯片中的成功）。另一方面，HEMT 呈現(xiàn)出比雙極晶體管較低的微波噪聲（金屬柵極電阻比半導(dǎo)體基極電阻要低）。

• HBT 晶體管是一個(gè)工作在很高電流密度下的垂直溝道器件（>100KA/m2，具有最高截止頻率的HBT 的電流密度甚至>1MA/cm2）。由于其所具有的高相關(guān)熱阻，HBT 的高功耗會(huì)削弱其固有的低門(mén)限電壓分散性這個(gè)優(yōu)點(diǎn)。

• 雖然截止頻率可以是類(lèi)似的（直到500GHz），微波雙極晶體管通常是具有較低阻抗的器件，這是由較高的跨導(dǎo)和輸入電容來(lái)表征的。這會(huì)產(chǎn)生一些后果，包括雙極晶體管較低的負(fù)載靈敏度。

現(xiàn)有工藝

雖然一個(gè)設(shè)計(jì)人員可能不容易接觸到不同的工藝，但還是存在一些為數(shù)不多的具有下列工藝的制造廠(chǎng)家：

• 45-，65-和90-nm CMOS• 130- nm HBT SiGe• 100- nm HEMT• 500- nm HBT InP。

對(duì)GaAs HEMT 的開(kāi)發(fā)已經(jīng)很長(zhǎng)時(shí)間了，其柵極長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于1μm；就較早的MESFET 技術(shù)而言，主要的技術(shù)變化是與更加復(fù)雜的異質(zhì)外延結(jié)構(gòu)相關(guān)的。類(lèi)似地，III-V HBT 技術(shù)通過(guò)將低頻GaAs 功率放大器用于手機(jī)之中而取得了商業(yè)上的成功。只需通過(guò)轉(zhuǎn)換到InP 基的材料系統(tǒng)，這個(gè)技術(shù)便可踏入甚高頻領(lǐng)域。

新近，由于晶體管尺寸持續(xù)不斷地下降，硅工藝也同樣登上了毫米波舞臺(tái)。當(dāng)SiGe HBT 技術(shù)被開(kāi)發(fā)后，這種技術(shù)通過(guò)深亞毫米工藝被引入到Bi-CMOS 圓晶廠(chǎng)，很快便呈現(xiàn)出具有與它們所對(duì)應(yīng)的III-V 技術(shù)相近的截止頻率。今天，這兩個(gè)技術(shù)主要的不同之處是：1)SiGe HBT 技術(shù)具有更成熟的工業(yè)環(huán)境（較高的電路復(fù)雜程度和擴(kuò)展了CMOS 的環(huán)境），以及2)該工藝較低的集電極擊穿電壓。

當(dāng)談到應(yīng)用時(shí)，決定哪種工藝最適合的主要因素可能是下面幾點(diǎn)，各自的分量取決于應(yīng)用情況。

1) 性能。這是一個(gè)關(guān)鍵因素，特別是對(duì)于那些要求具有最佳性能的應(yīng)用來(lái)說(shuō)。2) 目標(biāo)規(guī)范。應(yīng)用的規(guī)范要求可能會(huì)改變（隨著標(biāo)準(zhǔn)的演變），對(duì)于新應(yīng)用來(lái)說(shuō)，具有一定程度的靈活性也許是必要的。3) 直流功耗。為了減少設(shè)備的尺寸以及移動(dòng)終端的重量和功耗，低功耗是一個(gè)重要的因素。4) 門(mén)數(shù)。這是另一個(gè)重要方面，因?yàn)閿?shù)字信號(hào)處理正在提高其在應(yīng)用中的分量。5) 成本。很顯然這是一個(gè)很重要的問(wèn)題，并且適用于整個(gè)系統(tǒng)。而成本反過(guò)來(lái)則取決于所需的器件數(shù)量（市場(chǎng)容量）：對(duì)于小的或中等數(shù)量（幾千到幾萬(wàn)件）來(lái)說(shuō)，III-V 工藝可能比SiGe的成本要低；對(duì)于更大的數(shù)量，情況則可能相反。

成熟工藝的介紹及現(xiàn)狀

基于GaAs 和InP 的P-HEMT和M-HEMT

最初，GaAs 晶體管是具有n- 型溝道的肖特基柵FET(MESFET)，因?yàn)镮II-V 材料中電子的遷移率比空穴的遷移率大得多。會(huì)妨礙實(shí)現(xiàn)MOS 結(jié)構(gòu)的表面很強(qiáng)的費(fèi)米能級(jí)釘扎效應(yīng)卻有利于開(kāi)發(fā)肖特基柵極。MESFET的性能通過(guò)提高溝道的摻雜濃度而逐漸改善；這是以電子遷移率（當(dāng)摻雜濃度提高時(shí)，遷移率下降）和柵極泄漏電流為代價(jià)的。在1980 年所引入的HEMT 結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1) 可以同時(shí)實(shí)現(xiàn)兩種改善：1) 通過(guò)一個(gè)高遷移率溝道來(lái)提高溝道電流（產(chǎn)生一個(gè)高跨導(dǎo)），以及2）由于寬能隙勢(shì)壘而改善了柵極泄漏。

圖1、HEMT 異質(zhì)結(jié)構(gòu)的能帶圖展示了夾在半-絕緣（SI）基片和勢(shì)壘層之間的窄能隙溝道。在這個(gè)圖中，勢(shì)壘層是δ 摻雜，這意味著將施主雜質(zhì)引入到一個(gè)極薄層內(nèi)。溝道中的電子在界面的量子肼中積累，界面導(dǎo)帶偏移量（ΔEc）控制著表面密度ns。

自從HEMT 技術(shù)問(wèn)世以來(lái)，人們已經(jīng)引入了許多旨在改善性能（ns 和Vsate）的改進(jìn)方案。兩種主要的途徑是：1）提高導(dǎo)帶偏移，從而使得在界面量子肼內(nèi)積累更多的電子，以及2)提高溝道的遷移率，實(shí)際上這意味著提高InGaAs 溝道中In 成分的含量（從常規(guī)的GaAsHEMT 的Xin=0%到最高速I(mǎi)nP HEMT 中的Xin=80%）。

目前，正在GaAs 基片上開(kāi)發(fā)兩種類(lèi)型的HEMT:

1) 具有一層AlGaAs 障礙層和一個(gè)應(yīng)力InGaAs 溝道的主流GaAs P-HEMT（假晶HEMT）主要是用在20-70GHz 頻率范圍的低噪聲或功率應(yīng)用中[11]。2) 采用GaAs M-HEMT（改性HEMT）可以獲得更高的速度，它基本上是一個(gè)在GaAs 基片的松弛緩沖層上生長(zhǎng)一個(gè)晶格匹配的InP 結(jié)構(gòu)（具有一個(gè)ALInAs/InGaAs 異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)）。這個(gè)結(jié)構(gòu)得益于InP 基結(jié)構(gòu)較高的速度和與較大，較脆GaAs 基片相關(guān)的低成本。雖然緩沖層的熱導(dǎo)性相當(dāng)差，但這個(gè)技術(shù)在100GHz 下仍然顯示出出色的功率和噪聲性能。

就最高運(yùn)行速度和較高的輸出功率而言，這些性能紀(jì)錄還是由InP PM-HEMT 來(lái)創(chuàng)造的，它在90GHz 時(shí)超過(guò)400mW，并且在300GHz 超過(guò)2mW[14]。

InP HBT

連同采用與InP 基片晶格匹配的材料系統(tǒng)成功制成了器件的首篇報(bào)道一起，在90 年代后期，有關(guān)InP 異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管（HBT）的工作正式邁入了軌道[15]。這個(gè)材料系統(tǒng)具有若干超出SiGe 和GaAs 的優(yōu)勢(shì)，包括：

1) InGaAs（晶格與InP 相匹配）材料中的遷移率和電子速度比GaAs 或SiGe 的更高。2) 與GaAs 相比具有較低的表面復(fù)合速率，從而具有較高的電流增益，導(dǎo)致其具有按比例縮小到較小尺寸的能力。3) 由于在基極中使用了窄能隙InGaAs，則具有比GaAs 較低的基極-發(fā)射極開(kāi)啟電壓。4) 當(dāng)InP 被用作集電極材料時(shí)，具有比SiGe 更高的擊穿電場(chǎng)強(qiáng)度。5) 產(chǎn)品具有比其它任何Si 或III-V 材料更高的擊穿電場(chǎng)/截止頻率的乘積。6) 在InGaAs 基極和InGaAs 發(fā)射極覆蓋層（Cap）的最大摻雜濃度較高，從而產(chǎn)生較低的寄生接觸電阻值。7) 由于許多三價(jià)半導(dǎo)體材料的晶格與InP 的相匹配，從而具有一種增強(qiáng)的“用能隙來(lái)操縱”HBT 的能力。

這些年來(lái)，InP HBT 已經(jīng)擔(dān)負(fù)起最快速基準(zhǔn)晶體管和電路性能的重任。近來(lái)，在Santa Barbara 和illinois 的研究小組已經(jīng)報(bào)道了Ft 超過(guò)700GHz 的器件，以及Ft/Fmax 超過(guò)500GHz 的平衡器件[16]，[17]。

SiGe HBT-BiCMOS；CMOS 和NMOS

在80 年代后期所開(kāi)發(fā)的SiGe HBT 是采用成熟的硅技術(shù)來(lái)生產(chǎn)的。通過(guò)各種開(kāi)發(fā)，包括在基極使用碳摻雜和基極自對(duì)準(zhǔn)生長(zhǎng)技術(shù)，器件已達(dá)到了出色的性能- 特別是，在Bi-CMOS 配置中的HBT 顯示了高的Ft，F(xiàn)max（>300GHz）[19]。此外，由于具有很好的鈍化結(jié)而獲得了在混頻器和振蕩器中極為有用的出色的1/f 噪聲性能。所有這些特性被用來(lái)制成了許多可以運(yùn)行的芯片，例如在43GHz 光纖傳輸系統(tǒng)中的多用復(fù)用器（MUX）和多路分離器（DEMUX），高速模-數(shù)轉(zhuǎn)換器[20]，以及77GHz 頻率的車(chē)用雷達(dá)芯片組，甚至可用于工作在100GHz 以上的收發(fā)機(jī)中[21]。

在過(guò)去的幾年中，隨著極短?hào)艠O工藝過(guò)程的采納（現(xiàn)在是在45-90nm 的范圍），人們已經(jīng)報(bào)道了具有極高截止頻率的n-溝道MOS 晶體管（ft>200GHz）[22]。這種與半導(dǎo)體國(guó)際技術(shù)發(fā)展藍(lán)圖相一致的結(jié)果，實(shí)際上是從前僅限于III-V HEMT（昂貴）的電子束加工工藝過(guò)程和許多正在發(fā)生的MOS 結(jié)構(gòu)演變所產(chǎn)生的柵極長(zhǎng)度減小的結(jié)果。正像HEMT 結(jié)構(gòu)一樣，通過(guò)較高的遷移率溝道（例如所獲取的應(yīng)變硅溝道）以及由所謂的高-K 電介質(zhì)柵極所產(chǎn)生的具有合適的氧化層厚度與溝道的長(zhǎng)度比值，使得性能得到了加強(qiáng)（由于SiO2 可以提供無(wú)與倫比的Si 鈍化作用，它的相對(duì)介電常數(shù)-只有4 -在柵極長(zhǎng)度，柵極厚度按比例減小時(shí)，就變得太低了）。

圖2、在互連之前，發(fā)射極寬度為0.6μm 的InP DHBT 的顯微照片。HBT 是采用三層臺(tái)面（Triple-Mesa）自對(duì)準(zhǔn)工藝制作的[18]。

受益于這種擴(kuò)展的頻率性能，在過(guò)去幾年，人們已經(jīng)在毫米波領(lǐng)域?qū)�MOS 技術(shù)的潛力進(jìn)行了初步的評(píng)估[23]。高集成度和低成本（對(duì)于大量芯片）是我們對(duì)硅工藝感興趣的主要原因。

III-V 器件：與CMOS的共同集成

為了同時(shí)獲得兩種技術(shù)領(lǐng)域的最佳優(yōu)勢(shì)，異質(zhì)集成工藝是一個(gè)頗有前途的解決方案。為了將III-V 晶體管（實(shí)際上是InP 晶體管）和硅基CMOS 進(jìn)行相近的集成，人們已經(jīng)探索了不同的途徑，特別是在DARPA 資助的COSMOS 項(xiàng)目中[24]。人們已經(jīng)探索了若干種方法，從超級(jí)自對(duì)準(zhǔn)（小于5μm）倒裝芯片集成到一個(gè)完全徹底的單片失配外延技術(shù)。早期的結(jié)果非常鼓舞人心，在將InP 器件集成到CMOS 圓晶片之后，InP 器件的性能劣化并不明顯，并且已經(jīng)演示了一類(lèi)具有大輸出擺幅和小功耗的大增益-帶寬的差分放大器（>100GHz）[25]。雖然沒(méi)有直接的聯(lián)系，但人們應(yīng)當(dāng)注意到，通過(guò)MOSFET技術(shù)中的高遷移率III -V 溝道層的研究而在沿著半導(dǎo)體國(guó)際技術(shù)路線(xiàn)發(fā)展藍(lán)圖道路上所取得的進(jìn)展[26]。

從晶體管到電路

我們?cè)谏弦还?jié)介紹了現(xiàn)有的用于有源器件的不同工藝的特性。這些器件是開(kāi)啟100-GHz 以上頻率大門(mén)的關(guān)鍵，但這還不夠。同樣需要合適的方式將它們變?yōu)榭蛇\(yùn)行的電路，這意味著傳輸線(xiàn)，無(wú)源器件和接地等特定領(lǐng)域的開(kāi)發(fā)。由于這些因素，在將器件特性轉(zhuǎn)換到應(yīng)用領(lǐng)域時(shí)，某一種工藝可能比其它的都要好。

目前，人們已可以明確不同技術(shù)在特定方面的勝出，見(jiàn)表3。

這個(gè)表繪制了一幅演變現(xiàn)狀的畫(huà)面。在接下來(lái)的討論中，將用兩種不同類(lèi)型的演示電路來(lái)對(duì)畫(huà)面進(jìn)行具體的說(shuō)明。T.Swan，Y.Baeyens，和M.Meghelli 在文章中對(duì)特定的100-Gb/s 光波電路在該方面的進(jìn)展進(jìn)行了討論[53]。

用靜態(tài)分頻器作為技術(shù)的衡量基準(zhǔn)

用于數(shù)字電路的半導(dǎo)體工藝通常是用靜態(tài)分頻器的性能來(lái)作為衡量基準(zhǔn)的。由于一個(gè)靜態(tài)分頻器使用的是可以在更復(fù)雜的時(shí)序電路中找到的觸發(fā)器單元元件[36]，因此這樣一個(gè)電路的性能可以作為公認(rèn)的數(shù)字集成電路工藝的質(zhì)量因數(shù)。相同的觸發(fā)器被用作分頻器，判斷電路，10/100-Gb/s 系統(tǒng)復(fù)用器的基本單元[37]。在使用類(lèi)似基礎(chǔ)元件的不同電路中，選擇靜態(tài)分頻器的原因是因?yàn)樗�恰好是采用�?jiǎn)單的測(cè)量設(shè)備最容易進(jìn)行明確評(píng)估的電路，并且它可以給出這個(gè)技術(shù)所能達(dá)到的明確的性能上限。

圖3 示出了從90 年代初期直到現(xiàn)在所報(bào)道的靜態(tài)分頻器的速度。數(shù)據(jù)顯示出在過(guò)去幾年中，即使在2000年高速光纖的市場(chǎng)崩潰之后，速度也是在穩(wěn)定上升的。最近的進(jìn)展中大部分是由DARPA 通過(guò)頻率捷變數(shù)字合成發(fā)射機(jī)技術(shù)這個(gè)計(jì)劃（TFAST）所資助的。注意，在InP HBT 技術(shù)上正持續(xù)不斷獲得最好的結(jié)果，SiGe HBT 緊隨其后[38]。HEMT 或CMOS器件技術(shù)在最高頻率方面沒(méi)有那么強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力，因?yàn)樵贔ET 為基的器件中，需要大的器件尺寸才能達(dá)到必要的跨導(dǎo)要求。至今為止，所發(fā)表的靜態(tài)分頻器的最好結(jié)果是采用250-nm InP HBT 技術(shù)所達(dá)到的150GHz，最近的進(jìn)展已經(jīng)集中到降低功耗這方面了[39]。這個(gè)性能與全速率判斷電路的性能是一致的，并且在多路復(fù)用器/多路分離器（MUX/DEMUX）電路中的性能還有很大的發(fā)展余地。

圖3、靜態(tài)頻分器的最高頻率隨著報(bào)道年代而發(fā)生的變化。所示數(shù)據(jù)僅僅了包含了當(dāng)時(shí)特定技術(shù)的最好結(jié)果。

在最高工作速度下，功耗是特別重要的，此時(shí)單個(gè)門(mén)電路會(huì)有幾百毫瓦的功耗。雖然功耗隨著分頻器切換率的提高而迅速增長(zhǎng)（例如，在87GHz時(shí)是23mW[41]），但CMOS 由于其出色的結(jié)果（輸入頻率范圍是90-100GHz[40]）而加入了競(jìng)爭(zhēng)行列。所報(bào)道的最好的功耗是采用InP HBT 技術(shù)，在150GHz 時(shí)為42mW/每個(gè)鎖存器[39]。

用振蕩器（VCO）作為技術(shù)衡量基準(zhǔn)

壓控振蕩器（VCO）是100Gb/s 串行應(yīng)答器以及下毫米波通信，高分辨率雷達(dá)和成像系統(tǒng)所必不可少的構(gòu)建模塊。這樣的振蕩器要求將低相位噪聲，高輸出功率和好的直流-到-射頻轉(zhuǎn)換效率相結(jié)合，特別是在最高頻率下。這便轉(zhuǎn)換為許多重要的技術(shù)要求。

• 最高振蕩頻率（fmax）對(duì)于亞毫米波操作來(lái)說(shuō)是很關(guān)鍵的；最高頻率基頻振蕩器是基于納米級(jí)別的InP 基HEMT。所報(bào)道的最高基頻振蕩器是已有十年歷史的213-GHz InP HEMT 振蕩器[42]。近來(lái)，采用35-nm柵極InP HEMT 技術(shù)具有Fmax 為600-GHz 的器件的fmax 的進(jìn)一步改善使得基頻振蕩器可以達(dá)到346GHz[43] 。InPDHBT 最近也同樣展示了在亞毫米波頻率的基頻振蕩[44]。

• 為了獲得振蕩器好的近載波相位噪聲性能，重要的是使用具有低閃爍噪聲的技術(shù)。雙極技術(shù)，如SiGe 或InP HBT 通常可以提供比諸如HEMT或CMOS 這類(lèi)FET 更低的1/f 拐角頻率，這要?dú)w功于表面狀態(tài)影響的減少。在觀(guān)察較大頻率偏離處的相位噪聲時(shí)（例如，距離載波1MHz-見(jiàn)圖4），毫米波CMOS 振蕩器所展示的相位噪聲與它們所對(duì)應(yīng)的SiGe 和InP HBT 器件的相接近。這個(gè)比較并未將調(diào)諧范圍的影響考慮在內(nèi)，而且還會(huì)受到曲解，即如文獻(xiàn)[45]中所提到的，在沒(méi)有輸出緩沖時(shí)，振蕩器毫米波頻率相位噪聲會(huì)更好一些。

圖4、所報(bào)道的采用不同技術(shù)所實(shí)施的毫米波振蕩器相位噪聲概觀(guān)（在偏離載波1-MHz 處）。

• 最后，振蕩器在最高頻率下可實(shí)現(xiàn)的輸出功率便成了一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)，特別是當(dāng)器件工作在接近其fmax 時(shí)，這是因?yàn)椋�此時(shí)要進(jìn)一步放大輸出信號(hào)會(huì)變得格外困難。為了讓輸出功率達(dá)到最大，振蕩器內(nèi)部電壓的擺幅需要達(dá)到最大。大多數(shù)III-V 器件，如InP HBT 就擊穿電壓而言具有不折不扣的優(yōu)勢(shì)，尤其是當(dāng)其與CMOS 相比較時(shí)。這樣便可以產(chǎn)生所報(bào)道的較高的輸出功率。

100GHz 以上的高效率高功率源推-推振蕩器

為了在100GHz 以上達(dá)到較高的振蕩器輸出功率，設(shè)計(jì)者們更傾向于推-推振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，在這個(gè)結(jié)構(gòu)中，兩個(gè)以相反相位相耦合的振蕩器的輸出合成到一起來(lái)產(chǎn)生一個(gè)具有強(qiáng)二階諧波的輸出信號(hào)。這個(gè)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)使得可以在現(xiàn)有有源器件技術(shù)上實(shí)現(xiàn)高于fmax 的信號(hào)源，并且可以將現(xiàn)有高-Q 值諧振器技術(shù)的頻率范圍擴(kuò)展[46]。此外，采用推-推拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，可以使用工作在基頻而不是二階諧波輸出頻率的靜態(tài)或動(dòng)態(tài)分頻器來(lái)將相位鎖相環(huán)（PLL）的振蕩器鎖定，以實(shí)現(xiàn)頻率鎖定信號(hào)源，從而將分頻器的速度要求降低了一半。

毫米波頻率的推-推振蕩器的潛力已經(jīng)得到了充分的展示。用不同的化合物半導(dǎo)體技術(shù)所實(shí)現(xiàn)的推-推振蕩器已經(jīng)在文獻(xiàn)中有所報(bào)道：在[47]中報(bào)道了直到140GHz 的0.13μmGaAs PHEMT 振蕩器，和在[48]中所報(bào)道的可以直到278GHz 的SiGe HBT 振蕩器。即使是采用CMOS 技術(shù)也成功地實(shí)現(xiàn)了100GHz以上的信號(hào)源：人們已經(jīng)報(bào)道了一個(gè)采用130-nmCMOS 技術(shù)的192GHz 推-推振蕩器[49]。最近，采用45-nm CMOS 技術(shù)構(gòu)建了一臺(tái)工作在410GHz 的信號(hào)源[50]。然而，即使是采用推-推拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由于硅基高速技術(shù)降低了的擊穿電壓以及納米級(jí)CMOS 需要在低偏置電壓下工作，在100GHz 以上可以觀(guān)察到CMOS 推-推振蕩器明顯降低了的輸出功率。例如，410-GHzCMOS 信號(hào)源具有20nW的輸出功率，這可能不足以用在發(fā)射機(jī)應(yīng)用中或驅(qū)動(dòng)接收機(jī)的混頻器中。正如在下列段落中所說(shuō)明的，具有如此高功率的推-推振蕩器的理想選擇是InP 雙-異質(zhì)結(jié)HBT（D-HBT）技術(shù)，它將高的fmax 和高的擊穿電壓結(jié)合在一起。

振蕩頻率在220 和355GHz 的集成推-推振蕩器是由Alcatel-Lucent/Bell- 實(shí)驗(yàn)室的0.5μm 發(fā)射極InGaAs/InP HBT D-HBT 技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，具有的最大振蕩頻率為335GHz 和4V 的擊穿電壓（Vbceo）[51]。

這些振蕩器是基于一種平衡Colpitts 振蕩器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的。通過(guò)將相位相反的輸出進(jìn)行合成，并且使用短路截線(xiàn)（short stub）通過(guò)電抗部分在二階諧波頻率上來(lái)調(diào)節(jié)振蕩器輸出阻抗使其產(chǎn)生一個(gè)很強(qiáng)的二階諧波信號(hào)[52]，如圖5 所示。人們已經(jīng)采用這個(gè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了不同的諧振器。圖5 展示一個(gè)287GHz 的電路布局圖。傳輸線(xiàn)諧振器LE，LB 和LC 是在7-μm 低-K 層間介電材料（εr=2.6）之上采用一個(gè)2-μm 厚的金板接地面通過(guò)薄膜微帶線(xiàn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

圖5、一臺(tái)InP D-HBT 推-推振蕩器的（a）電路圖和（b）電路布局圖[52]。

不同振蕩器的輸出信號(hào)是采用一個(gè)WR03 波導(dǎo)探頭來(lái)探測(cè)的，并且使用WR03 次諧波混頻器進(jìn)行下變頻的。在210GHz 和235GHz 所測(cè)得的輸出功率可達(dá)1mW，直流-到-射頻的效率為2-3%。工作在280 和297GHz 的振蕩器可以獲得-5dBm 的輸出功率。圖6 展示了所實(shí)現(xiàn)的最高頻率振蕩器所測(cè)得的輸出頻譜。雖然輸出超過(guò)了WR03 波導(dǎo)（LO）在片探頭和下變頻混頻器的頻段范圍，在將振蕩器信號(hào)與321.6GHz 的有效本振頻率相混頻時(shí)，仍然會(huì)探測(cè)到很強(qiáng)的IF 信號(hào)。通過(guò)對(duì)探頭和混頻器損耗進(jìn)行校正，損耗值估計(jì)在23dB 與30dB 之間，在355GHz 上可以獲得高于-13dBm的輸出功率。

圖6、一個(gè)工作在355GHz 的InP D-HBT 推-推VCO 的下變頻頻譜（LO=321.6GHz，上邊帶）（未對(duì)混頻器的損耗進(jìn)行任何修正）。

這些振蕩器的輸出功率與振蕩頻率的關(guān)系展示在圖7 中，并且將其與不同的半導(dǎo)體技術(shù)所制作的振蕩器進(jìn)行了比較。多虧了InP D-HBT 的高擊穿電壓，以及可以將輸出功率改善5dB 的二階諧波調(diào)諧技術(shù)，截止目前為止，InP D-HBT 推-推振蕩器可以在該頻段范圍內(nèi)具有比所報(bào)道的其它晶體管信號(hào)源更高的輸出功率和效率。

圖7、所報(bào)道的采用不同技術(shù)所實(shí)施的振蕩器的輸出功率和工作頻率的概觀(guān)。采用基頻和推-推振蕩器的結(jié)果分別用空心和實(shí)心符號(hào)來(lái)表示。

結(jié)論

若干種半導(dǎo)體材料和技術(shù)都適合用來(lái)解決100GHz 和100-Gb/s 的應(yīng)用問(wèn)題。這些技術(shù)有時(shí)候會(huì)相互競(jìng)爭(zhēng)，正如我們所預(yù)期的，這是一個(gè)新的應(yīng)用領(lǐng)域，人們?nèi)匀辉趯?duì)這些技術(shù)各自的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)進(jìn)行著討論。本文旨在說(shuō)明隨著頻率性能的不斷提高，這些演進(jìn)技術(shù)的多樣性和其潛在的影響。盡管長(zhǎng)期以來(lái)，器件性能的改善僅僅依賴(lài)于光刻技術(shù)進(jìn)步所允許的尺寸的減小，然而異質(zhì)結(jié)構(gòu)和應(yīng)力工程技術(shù)現(xiàn)在已成為強(qiáng)有力的手段，通過(guò)它們可以增強(qiáng)速度和功率性能，使之達(dá)到能夠打開(kāi)100-GHz 和100-Gb/s 應(yīng)用領(lǐng)域之門(mén)的水平。