基于70 nm InP HEMT工艺的230~250 GHz低噪声放大器设计

刘星; 孟范忠; 陈艳; 张傲; 高建军; LIU Xing; MENG Fan-Zhong; CHEN Yan; ZHANG Ao; GAO Jian-Jun

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基于70 nm InP HEMT工艺的230~250 GHz低噪声放大器设计 PDF

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1. 中国电子科技集团公司第十三研究所，河北石家庄 050051； 2. 南通大学交通与土木工程学院，江苏南通 226019； 3. 华东师范大学物理与电子科学学院，上海 200241

中图分类号： O43

最近更新：2023-02-18

DOI：10.11972/j.issn.1001-9014.2023.01.006

摘要

基于70 nm InP HEMT工艺，设计了一款五级共源放大级联结构230~250 GHz低噪声太赫兹单片集成电路（TMIC）。该放大器采用扇形线和微带线构成栅极和源极直流偏置网络，用以隔离射频信号和直流偏置信号；基于噪声匹配技术设计了放大器的第一级和第二级，基于功率匹配技术设计了中间两级，最后一级重点完成输出匹配。在片测试结果表明，230~250 GHz频率范围内，低噪声放大器的小信号增益大于20 dB。采用Y因子法对封装后的低噪声放大器模块完成了噪声测试，频率为243~248 GHz时该MMIC放大器噪声系数优于7.5 dB，与HBT和CMOS工艺相比，基于HEMT工艺的低噪声放大器具有3 dB以上的噪声系数优势。

关键词

铟磷高电子迁移率晶体管（InP HEMT）; 低噪声放大器（LNA）; 太赫兹集成电路（TMIC）

引言

随着化合物半导体技术的进步，人们已经能够在亚毫米波甚至太赫兹频段开发出具有优良噪声特性和良好增益特性的低噪声放大器。在300 GHz以下的大气窗口频段中，220~250 GHz低噪声放大器可应用于辐射测量、大气传感、卫星遥感等典型应用场景的固态射频接收前端中。

文献［

1-6］列出了国外发表的该频段同类放大器。文献［1］和［2］中，V. Hurm、A. Tessmann等人基于50 nm GaAs HEMT工艺报道了两款243 GHz低噪声放大器，获得了5~7dB的噪声系数；文献［3］中，M. Varonen等人采用35 nm InP HEMT工艺开发的低噪声放大器在220~252 GHz获得了20 dB的增益和7~8 dB噪声系数；文献［4］和［5］则均采用75 nm InP HEMT工艺开发了两款240 GHz左右的低噪声放大器，最小噪声系数达到了5.8 dB；文献［6］中毛燕飞等人采用IHP锗硅BiCMOS工艺开发了两款220 GHz低噪声放大器，最高增益达到22 dB，噪声系数11.5~13 dB。

本文基于中国电科十三所70 nm InP HEMT工艺，开发了一款230~250 GHz低噪声放大器TMIC，并详细论述了InP HEMT低噪声放大器的分析、设计与测试结果。

1 工艺与器件

本文采用InP HEMT工艺，在半绝缘InP衬底上利用化学气相沉积生长HEMT外延层，沟道为10 nm In_0.7Ga_0.3As，二维电子气密度为2.6×10¹² cm^-2，电子迁移率为10 300 cm²/V/s。值得注意的是，为了降低寄生电阻引入的噪声，需要优化欧姆接触工艺以及采用栅极偏向源极结构，为了保证一定的击穿电压源漏之间的距离为3 μm。栅长过短，器件则表现出严重的短沟道效应和翘曲（kink）效应，致使器件的夹断特性变差，漏电导增加，从而降低了器件的频率特性。InP HEMT工艺采用背面通孔接地，通孔的腐蚀采用感应耦合等离子体干法腐蚀技术，最后采用5 μm厚度镀金进行背面金属接地。图1给出了70纳米HEMT器件的层结构，主要包括帽子层、势垒层、掺杂层、沟道层和缓冲层。主要的工艺技术是采用T型栅，也就是截面形状呈现蘑菇型的T状栅电极，这样其下部接触半导体表面的栅根很窄，从而可以提高器件的特征频率，而上部的栅帽很宽，可以降低栅极的寄生电阻。

图1 InP HEMT 器件结构图

Fig. 1 InP HEMT device structure

在亚毫米波频段，器件的频率特性对其增益及噪声都有着决定性的影响，器件特征频率的计算公式为：

f_{T} = \frac{g_{m}}{2 π (C_{g s} + C_{g d})}

，

（1）

式中，g_m为器件本征跨导，与器件栅极宽长比成正比，C_gs和C_gd分别为器件栅源和栅漏寄生电容，两者之和称之为栅极电容C_g，他们与器件栅极面积成正比；减小器件栅长一方面可以减小栅极尺寸，降低寄生电容，另一方面，同等栅宽下，减小栅长意味着宽长比增大，器件本征跨导提高，从而可提高器件特征频率。

器件最高振荡频率计算公式为：

f_{m a x} = \frac{f_{T}}{\sqrt[]{4 R / R_{d s} + 4 π f_{T} C_{g d} (R + R_{g})}}

，

（2）

其中， $R = R_{g} + R_{i} + R_{s}$ 。式中，R_ds为源漏电阻，R_g和R_s均为栅极和源极寄生电阻，R_i为本征电阻。由式（2）可见，提高器件f_max除了需要提高f_T之外，应尽量减小寄生电阻。

半导体器件最佳噪声系数的水平直接决定了放大器噪声系数的大小，根据FUKUI公式^［

7］：

F_{m i n} = 1 + k \frac{f}{f_{T}} \sqrt[]{g_{m} (R_{g} + R_{s})}

（3）

从公式中可以看到提高器件特征频率对降低器件噪声性能有帮助，但是相应跨导的增加也会恶化噪声性能，因此低噪声放大器设计需要在增益和噪声之间综合考虑。

图2给出了最佳特征频率、最高振荡频率以及最低的最佳噪声系数随栅极电容变化曲线，从图中可以明显看到随着栅极电容的增加，最佳特征频率和最高振荡频率迅速减小，230~250 GHz频段下最佳噪声系数明显上升。基于工作频率和最佳噪声参数的折中考虑，最佳栅极电容的取值范围要小于50 fF。

图2 230 GHz频段下器件f_T， f_max和F_min随栅极电容变化曲线

Fig. 2 Plot of f_T， f_max and F_min versus gate capacitance

低噪声放大器设计中采用栅宽为2×15 μm的HEMT器件，漏极电压为1.2 V时候的转移特性曲线如图3所示，从图中可以看到其峰值跨导密度为1660 mS/mm。图4给出了HEMT器件最佳噪声系数和特征频率随栅极电压变化曲线，从图中可以看到最佳噪声系数变化不大（频率为40 GHz），而特征频率随栅极电压增加而增加，最大截止频率接近300 GHz，相应的最大振荡频率超过400 GHz。

图3 2×15 μm InP HEMT器件转移特性曲线

Fig. 3 Transfer characteristics of the 2×15 μm InP HEMT device

图4 2×15 μm InP HEMT器件最佳噪声系数和特征频率随栅极电压变化曲线

Fig. 4 Optimum noise figure and characteristic frequency of 2×15 μm InP HEMT device

值得注意的是，目前器件的最佳噪声参数测试的商用系统最高频率在40 GHz左右，因此如果需要设计太赫兹低噪声放大器，则需要基于器件物理模型进行频段外推，通过测试所设计的放大器的噪声系数来验证40 GHz频段测试的最佳噪声参数的频段外推精度。

2 电路设计

低噪声放大器（Low Noise Amplifier， LNA）最重要的两个指标为增益和噪声系数，通过测试半导体放大器件的最佳噪声源阻抗，同时设计输入匹配网络使得输入阻抗和最佳噪声源阻抗一致，即可获得放大器的最佳噪声系数设计，称之为最佳噪声匹配，最佳噪声匹配是以牺牲增益为代价获得的。本设计中220~250 GHz低噪声放大器采用五级器件级联，多级器件级联可以确保足够的增益。多级级联放大器的噪声系数计算公式如（3）所示^［

8］，G_n和F_n分别为第n级的资用功率增益和噪声因子。放大器的总噪声系数主要取决于前两级的噪声，因此，本设计中对前两级器件采取最佳噪声匹配；后三级兼顾增益匹配，在最小噪声圆和最大增益圆之间选择中间阻抗，以获得所需的增益。

F_{t o t a l} = F_{1} + \frac{F_{2} - 1}{G_{1}} + \frac{F_{3} - 1}{G_{1} G_{2}} + \frac{F_{4} - 1}{G_{1} G_{2} G_{3}} + \frac{F_{5} - 1}{G_{1} G_{2} G_{3} G_{4}}

（4）

图5和图6为220~250 GHz五级低噪声放大器的原理图和单级共源极放大器结构，有源器件均选用栅宽2×15 μm的器件。采用共源极放大结构，电容 C1、C2为交流耦合电容，其中C1与传输线TL1~TL3构成输入匹配网络，C2与传输线TL5和TL6构成输出匹配网络；传输线TL4为源极传输线电感。四分之一波长传输线与扇形线组成栅极扼流电路，并与电阻和电容一起构成栅极偏置网络；四分之一波长传输线与扇形线组成漏极扼流电路，并与电阻和电容一起构成漏极偏置网络。第2级~第5级共源极电路与第一级电路结构相同。

图5 低噪声放大器拓扑

Fig. 5 Topology of the LNA

图6 单级共源极放大器结构

Fig. 6 Single stage common source amplifier

基于增益-带宽积和网络综合技术，对低噪声放大器的增益和噪声综合考虑，将第一级和第二级放大级的匹配设置在最佳噪声源阻抗点，而第三级和第四级采用级间共轭匹配技术达到最大功率增益，最后一级采用输出匹配设计。表1给出了五级放大器增益噪声设计数据，从表中可以看到放大器噪声系数主要由第一级和第二级放大级决定。

表1 五级放大器增益噪声设计数据

Table 1 LNA design data

工艺	第一级	第二级	第三级	第四级	第五级
增益（dB）	5	10	16	22	26
噪声系数（dB）	4.0	6.0	6.2	6.4	6.5

230~250 GHz低噪声放大器中，晶体管的源极设计了传输线电感，可以提供感性源极负反馈，提高电路稳定性^［

9］；此外，栅极和漏极偏置网络均采用四分之一波长线与扇形线组成的射频扼流电路和RC低频滤波电路相结合的电路结构（如图7（a）所示），可以改善各级电路之间的隔离，从而提高整体电路稳定性^{［参考文献 10

百度学术}10］。对该电路进行仿真，仿真结果如图7（b）所示，RF-DC隔离达到40 dB。

（a）

（b）

图7 偏置电路(a)及仿真结果 (b)

Fig. 7 The bias circuit(a) and simulation result (b)

230~250 GHz低噪声放大器设计中的仿真包括原理图仿真和电磁场仿真两部分，原理图仿真中直接调用仿真软件集成的集总元件模型；电磁仿真采用三维电磁场仿真软件，结合实际物理结构，建立无源元件的精确仿真模型，该软件采用有限元法对三维结构进行精确模拟，能准确的反映出无源结构在垂直方向的场分布特性。该低噪声放大器整体电磁仿真模型如图8所示。对于太赫兹电路设计来说，仅仅采用电路的原理图设计仿真是远远不够的，版图布局所产生的寄生电容会使得设计的放大器中心频率发生偏移，因此需要三维电磁场仿真的高精度仿真，三维电磁场仿真基于有限时域差分方法，可以考虑各种寄生元件对电路的影响。因此采用三维电磁场仿真设计可以提高模拟数据和测试数据的吻合度。

图8 三维电磁仿真模型

Fig. 8 3D EM simulation model

3 电路测试与分析

本文设计的低噪声放大器MMIC采用标准的毫米波 InP HEMT工艺制作，图9为加工完成的芯片实物照片，芯片尺寸为1.65 mm×1.30 mm，输入和输出为50 Ω GSG共面波导结构，可供在片探针测试。

图9 低噪声放大器TMIC照片

Fig. 9 Photograph of the LNA TMIC

230~250 GHz低噪声放大器TMIC的S参数通过在片测试得到，测试系统包括矢量网络分析仪、WR3频率扩展模块（220~325 GHz）和直流电源等。图10显示了该五级低噪声放大器TMIC的增益曲线，偏置条件确定为V_d=1.2 V，V_g=0.1 V，此时漏极电流I_d=32 mA。测试结果表明该放大器在228 GHz获得最高增益为28.7 dB，在230~250 GHz可以获得21 dB以上的增益。模拟和测试结果吻合很好，其误差主要来源为有源器件模型和无源器件在太赫兹频段的精度和加工带来的偏差。

图10 230~250 GHz低噪声放大器增益模拟和测试曲线

Fig. 10 Simulated and measurement results for gain of the 220~250 GHz LNA TMIC

230~250 GHz低噪声放大器的噪声测试是在常温下将其封装为模块后（如图11所示），通过Y因子法（又称为冷热源法）测试得到的，测试系统如图12所示，低噪声放大器模块的输入端安装喇叭天线，喇叭天线交替暴露于室温（热负载）和液氮低温（冷负载），测试系统通过接收常温和低温两种状态下黑体辐射的电磁波来进行噪声系数的测试。放大器模块的输出信号通过一个下变频接收机变频到中频信号后连接到功率计。图13的噪声测试结果显示，在243~248 GHz范围内，该低噪声放大器噪声系数为5.5~7.5 dB。

图11 封装后的低噪声放大器

Fig. 11 LNA with package

图12 Y因子法噪声系数测试系统

Fig. 12 Y-factor noise figure measurement diagram

图13 低噪声放大器噪声系数模拟和测试曲线

Fig. 13 Simulated and measurement noise figure results of the LNA TMIC

表2总结了220~250 GHz频段低噪声放大器特性并进行了比较，很显然与HBT和CMOS工艺相比，基于HEMT工艺的低噪声放大器具有3 dB以上的噪声系数优势。如果要想取得更高的增益，需要增加级联的放大级的数量，而提高工作频率需要减小器件栅长。在基于InP HEMT工艺的放大器设计中，本文采用工艺为70纳米工艺，获得了和国际上报道的噪声系数水平一致的结果，同时在增益21 dB情况下保持了较低的直流功耗。

表2 220~250 GHz频段低噪声放大器特性比较

Table 2 Comparison of performance of 220~250 GHz LNA

工艺	频率（GHz）	BW （GHz）	增益（dB）	NF （dB）	功耗（mW）	面积（mm²）	参考文献
50 nm MHEMT	243	40	20	7.0	260	1.22	［1］
50 nm MHEMT	243	52	30	6.0	56	0.75	［2］
35 nm InP HEMT	192	56	22	7.5	NA	NA	［3］
75 nm InP HEMT	215	50	10	5.0	NA	0.52	［4］
250 nm InP HBT	250	40	20	10	58	0.2	［11］
32 nm CMOS	210	10	18	11	44.5	2.87	［12］
65 nm CMOS	297	1	21	10	35.4	1.12	［13］
130 nm SiGe	291	68	11	11	119	0.26	［14］
70 nm InP HEMT	240	20	21	7.0	38.4	2.15	本文

4 结论

本文基于标准的InP HEMT工艺，设计开发了一款230~250 GHz低噪声放大器TMIC，该电路采用五级共源极结构，在所需频带范围内获得了较好的增益及噪声特性。实测结果表明，该单片电路在230~250 GHz范围内线性增益高于21 dB，噪声系数5.5~7.5dB，该电路可以很方便地应用于该频段各类接收机系统中。

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