浅谈MMIC发展简史

MMIC, 单片微波集成电路(monolithic microwave integrated circuit),集成电路大家庭里的重要一员，主要工作在3M Hz 到 300G Hz 的频率范围内，由于其信号波长为1mm至1m，故MMIC又称为毫米波电路。

1916年，Jan Czochralski发明了用于生长单晶的CZ工艺，之后的100年时间，以半导体为中心的集成电路技术不断发展，最终引发了一场改天换地的技术革命，如一阵风暴一般，信息技术迅速占领了我们生活的各个角落。1947年，贝尔实验室发明了晶体管(Transistor), 1959年，德州仪器的Jack Kilby发明了集成电路。1966年，首个工作在毫米波范围内的集成电路被成功制造了出来，那是一个X-带收发(Tx/Rx)转换器。然而人们发现，该转换器的插入损耗(insertion loss)竟惊人的高。在集成电路产业发展的早期年代，很多硅基的MMIC器件都有这样的问题，这是由于当基底的阻抗过低时，传输线上的功率损耗将会很大。由于当时工艺技术的不成熟，在加工芯片的时候，原本高阻抗的硅基在遭受后续工艺步骤中的加热后其阻抗便会大大降低，这个问题被称作inversion，它极大地限制了MMIC的进一步发展。

要想突破这样的问题，就必须从其他基底材料的选择上下手。1962，由于LEC(液体封止直拉法)工艺出现了，这使得人们能够人们能够制造单晶的硅片。通过多次试验，人们发现砷化镓（GaAs）是用于MMIC基底的合适材料。1965年，通过LEC法制造的GaAs基底表现出了高阻抗的特性。同样是在1965年，Jim Turner与C.A.Mead分别独自制造了首款GaAs场效应晶体管。其中Turner制作的器件拥有约24um的栅宽并在VHF频率（30M-300MHZ）下表现出较高的增益，其所在的Plessey研究所制作了4-um栅宽的MESFET器件，能在1MHZ下拥有10-dB的增益。这也成为了世界上第一款进入商业化生产的砷化镓MESFET器件。1968年，第一看第一款单片砷化镓毫米波电路在市场上发行，1970年，砷化镓电路首次在毫米波领域打败了它一直以来的竞争对手——硅基电路。由于砷化镓稳定的高阻抗特性，在今后的几十年里，它一直是制造MMIC的首选材料。

1976年，第一款砷化镓毫米波集成电路，即MMIC问世，它能在7到12GHZ下实现几dB的增益。从此，GaAs MMIC产业进入高速发展阶段。
1985年，又被称作“能带工程之年”，这一年标志着工程师们拥有了通过将不同的半导体材料进行配合以达到所期望的固体物理属性的技能。这最终导致了1988年HEMT（高电子迁移率晶体管）LNA（低噪声放大器）MMIC与1989年HBT（异质结晶体管功率放大器）的诞生。时至今日，工程师们通过灵活运用各种半导体材料在毫米波频带下实现自己期待的增益。值得关注的是，由于工艺的进步克服了invertion的问题，硅基晶体管又重新进入了工程师们的视野，而SiGe（硅锗化合物）的频率响应特性已经能够做到与砷化镓材料相当。总而言之，未来的MMIC发展将会在各个新奇的材料上进行实验，所需要的便仅仅是工程师们的一颗不断追求进步的心和超凡的想象力罢了。

参考资料：《Practical MMIC Design》 by Steve Marsh

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