主題文章2

70奈米變晶性砷化鎵高電子移動率電晶體微波積體電路技術製作之180-220 GHz放大器180-220 GHz MMIC Amplifier Using 70-nm GaAs MHEMT Technology章朝盛1、陳河穆2、高瑞智2、王暉2、陳明堂1

1中央研究院天文與天文物理研究所、2國立台灣大學電信工程學研究所

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摘　要

在此篇論文中，我們使用 70奈米變晶性砷化鎵高電子移動率電晶體微波積體電路

技術設計出涵蓋 180至 220 GHz頻段的放大器，這個使用五級共源架構的放大器，

在晶圓針測情況下，自 173至 220 GHz可以提供超過 20 dB的增益，並於 188 GHz

處量測到 32 dB的最大增益，飽和輸出功率可以達到 -1 dBm，1-dB增益壓縮點也可

達到 -3 dBm。

AbstractIn this paper, we present an MMIC amplifier for the frequency range of 180 to 220

GHz. This amplifier is fabricated using 70-nm GaAs mHEMT technology. It is a 5-stage

ampli�er in common-source topology. On-wafer probing shows over 20 dB small-signal

gain from 173 to 220 GHz with peak gain of 32 dB at 188 GHz. Saturation output power

level of -1 dBm and 1-dB gain compression output power level of -3 dBm are achieved..

關鍵字／Keywords ● 單晶微波積體電路、變晶性砷化鎵高電子移動率電晶體、寬頻放

大器

● MMIC、 GaAs mHEMT、Broadband Amplifier

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奈米通訊NANO COMMUNICATION 23卷 No. 4

70奈米變晶性砷化鎵高電子移動率電晶體微波積體電路技術製作之180-220 GHz放大器

前　言

隨著半導體技術的進展，毫米波與次毫米波的元件

有了新的供應來源。高解析度成像系統、高速資料傳輸

等需求可以經由此項新科技所具有的短波長、大頻寬而

實現，在毫米波與次毫米波段中，其中又以 90、140與

220 GHz頻帶因為受到大氣吸收影響最小而最受矚目。

而在電波天文學這個傳統上對毫米波與次毫米波元

件有強烈需求的應用中，半導體技術這項新進展不只在

接收機前端電路得以應用，在本地震盪源訊號產生中—

尤其是在焦面陣列或太赫茲等高功率要求的應用—也可

以找到它的需求。

在現有半導體技術中，擁有著高增益與低雜訊的

高電子移動率電晶體 (High Electron Mobility Transistor,

HEMT)是最符合此項應用的元件，而過去在 220 GHz頻

段，的確已經有許多使用高電子移動率電晶體毫米波單

晶微波積體電路技術製作的放大器 [1-5]，但這些放大器都

是使用高實驗性質的先進製程，而在這篇論文中，我們

將會使用商用的 70奈米變晶性砷化鎵高電子移動率電晶

體 (mHEMT)實現 180至 220 GHz的放大器。

單晶片微波積體電路技術介紹與電

路設計

為實現此放大器，我們使用法國 OMMIC 所提供

的 70 奈米變晶性砷化鎵高電子移動率電晶體製程，這

製程電子通道擁有高銦含量，使得其截止頻率 (Cutoff

Frequenc y) 可以達到 300 GHz 以上，最大振盪頻率

(Maximum Oscillation Frequency)可以達到 450 GHz以

上。該製程的基板厚度為 100微米，並提供兩層金屬走

線、薄膜電阻與金屬 -絕緣體 -金屬 (MIM)結構電容。

為了在這麼高的頻率工作，我們選擇閘極寬度全長

為 20 微米、兩閘極指的原件作設計，設計時所使用的

小訊號參數模型是如圖一所示採用傳統的混成π (hybrid

π) 模型 [6]，模型中的元件參數先是經晶圓針測由所內 50

GHz系統量測萃取，再經所內另外 W頻段 (75-110 GHz)

系統結果微調，量測時的偏壓點集極電壓為 1V、集極電

流為 13mA，此偏壓點相當靠近過去發表的最大可用增益

處 [7]。

為了在 180-220 GHz達到 20dB增益，如圖 3所示，

此放大器使用五級共源架構，並使用共面波導以避免高

階模態出現在 100微米的基板中，所以晶片在製作時並

沒有施作背面加工，當然也沒有背面通孔，所有的被動

元件，包括阻隔電容、旁路偏壓電路與匹配電路，都是

使用 Sonnet軟體模擬設計。設計出來的放大器如圖 4所

示為一個長 1.75釐米、寬 0.66釐米的單晶片微波積體電

路。

量測結果

圖 1　 此放大器設計所使用的電晶體混成 pi模型。

圖 2　 2f20尺寸電晶體電流電壓關係圖，閘極電壓由下到上為 -1

至 0V，各線間壓差為 0.05V。

主題文章2012

此放大器量測是使用 Agilent網路分析儀搭配 OML

公司 WR-05系統採取晶圓針測進行，並使用 Cascade公

司 WR-05 的探針，能夠涵蓋 140 至 220 GHz 頻段，校

正是使用 LRRM (Line-Reflect-Reflect-Match)方式，經由

WinCal XE軟體在 Cascade的 #138-357校準標準片上進

行。為了避免進入放大器的飽和區，在輸入端 OML頻率

延伸器另外加上了 20 dB的衰減器，經由 Erickson PM5

毫米波功率計量測的結果，加上衰減器之後在 180、

200、220 GHz的輸出功率分別為 -36、-33與 -31 dBm。

量測時放大器的實際偏壓為，集極電壓 1V、集極電流

12.5mA，此時閘極電壓為 0.093V，整體功耗為 64mW。

量測 S參數結果呈現於圖 5中，可以看出從 173至

220 GHz放大器增益都在 20 dB以上，並於 188 GHz處量

測到 32 dB的最大增益。量測時，我們測試兩片晶片以

確認電路製作重複性，並使用頻譜分析儀確認 50 GHz以

下無震盪。

我們使用圖 6架設量測該放大器的功率輸出表現，

測試單頻信號經由 Agilent訊號產生器與 Millitech 公司

AMC-05-RFH00倍頻器產生，經過待測物之後由 OML公

司 M05HWDX諧波混頻器降頻至頻譜分析儀讀取輸出功

率，此量測的系統校準可由量測 Cascade校準標準片上

的短傳輸線而得。180、200與 220 GHz下的輸入—輸出

功率關係量測結果分別繪於圖 7至 9，此放大器的飽和

輸出功率大約是 -1 dBm，而 1-dB增益壓縮點可達到 -3

dBm。

最後於表 1，我們將此次設計量測結果與過去發表

過的同頻段單晶微波積體電路技術放大器相比較，可以

發現，過去同頻段放大器皆使用較先進的磷化銦高電子

移動率電晶體或更短閘極長度的變晶性砷化鎵高電子移

動率電晶體，雖然使用較長閘極長度的製程，此放大器

無論在頻寬與增益，並不遜於過去發表的結果。就作者

們所知，這是第一個使用 70奈米變晶性砷化鎵高電子移

動率電晶體製程所實現的 220 GHz放大器。

圖 4　 實際製作之放大器電路照片，尺寸長為 1.75 釐米、寬為

0.66釐米。

圖 3　此放大器所使用五級共源架構示意。

圖 5　 S參數量測結果。

圖 6　 功率表現純量量測架構。

013

奈米通訊NANO COMMUNICATION 23卷 No.4

70奈米變晶性砷化鎵高電子移動率電晶體微波積體電路技術製作之180-220 GHz放大器

結 論

在此文章中，我們使用五級共源架構、70奈米變晶

性砷化鎵高電子移動率電晶體製程與單晶微波積體電路

技術實現 180至 220 GHz的放大器，經由晶圓針測此放

大器在 173至 220 GHz頻帶提供超過 20 dB的增益，並

於 188 GHz處量測到 32 dB的最大增益。我們另使用純

量架設量測放大器功率表現，結果飽和輸出功率可以達

到 -1 dBm，1-dB增益壓縮點可以達到 -3 dBm。可見此放

大器的確適用於下一世代共焦面陣列電波天文接收機本

地震盪源的應用。

誌　謝

我們感謝位於新竹的國家奈米元件實驗室協助電路

量測，此研究計畫是由中央研究院與科技部 ALMA計畫

所共同支持。

參考資料

[1] P. H. Liu et al., “High gain G-band MMIC Amplifiers

Based on Sub-50nm Gate Length InP HEMT,” in Proc.

IEEE Int. Conf. Indium Phosphide and Related Mater.,

pp. 22-23, May 2007.

[2] A. Tessmann et al., “Metamorphic HEMT MMICs and

Modules for Use in a High-bandwidth 210 GHz Radar,”

IEEE J. Solid State Circuits, vol. 43, no. 10, pp. 2194-

2205, Oct. 2008.

[3] M. Varonen, P. Larkoski A. Fung, L. Samoska, T. Gaier R.

Lai and S. Sarkozy, “160-270-GHz InP HEMT MMIC

Low-noise Amplifiers,” in IEEE Compound Semicond.

Integr. Circuit Symp. Dig., pp. 1-4, Oct. 2012.

[4] Hurm et a l . , “A 243 GHz LNA Module Based

圖 7　 180 GHz所量測之輸入輸出功率關係。

圖 8　 200 GHz所量測之輸入輸出功率關係。

圖 9　 220 GHz所量測之輸入輸出功率關係。

表 1　 與文獻中所發表工作於 220 GHz放大器比較。

[9]

主題文章2014

on mHEMT MMICs with Integrated Waveguide

Transitions,” IEEE Microw. Compon. Lett., vol. 23, no.

9, pp. 486-488, Sept. 2013.

[5] A. Tessmann et al., “243 GHz Low-noise Amplifier

MMICs and Modules Based on Metamorphic HEMT

technology,” International Journal of Microwave and

Wireless Technologies, pp. 215-223, June 2014.

[6] G. Dambrine, A. Cappy, F. Heliodore, and E. Playez,

“A New Method for Determining the FET Small Signal

Equivalent Circuit,” IEEE Trans. Microwave Theory

Tech., vol. 36, no. 7, pp. 1151–1159, July 1988.

[7]A. H. Akgiray, et al., “Noise Measurements of Discrete

HEMT Transistors and Application to Wideband Very

Low-noise Amplifiers,” IEEE Trans. Microwave Theory

Tech., vol. 61, no.9, pp. 3285–3297 Sept. 2013.