0 概述
由Ge、Si、Ⅲ-V化合物半導體等材料制成的，工作在微波波段的二極管、晶體管稱為微波器件。微波即波長介于1m~1mm之間的電磁波，相應頻率在300MHz~300GHz之間。微波半導體器件在微波系統中能發揮各方面性能，歸納起來為微波功率產生及放大、控制、接收3個方面。對微波功率器件要求有盡可能大的輸出功率和輸出效率及功率增益。 進入20世紀90年代后，由于MOCVD(金屬有機化學氣相淀積)和MBE(分子束外延)技術的發展，以及化合物材料和異質結工藝的日趨成熟，使三端微波器件取得令人矚目的成就，使得HBT(異質結雙極型晶體管)、MESFET(肖特基勢壘場效應晶體管)以及HEMT(高電子遷移率晶體管)結構的各種器件性能逐年提高。與此同時，在此基礎上構成的MMIC(單片集成電路)已實用化，并進人商品化階段，使用頻率基本覆蓋整個微波波段，不僅能獲得大功率高效率而且，噪聲系數小。隨著微波半導體器件工作頻率的進一步提高，功率容量的增大，噪聲的降低以及效率和可靠性的提高，特別是集成化的實現，將使微波電子系統發生新的變化。表1列出了幾種主要的三端微波器件目前的概況。

表1 微波三端器件概況

1 HBT功率微波器件的特性及設計要點
微波雙極型晶體管包括異質結微波雙極型晶體管和Si 微波雙極型晶體管。Si器件自20世紀60年代進入微波領域后，經過幾十年的發展，性能已接近理論極限，并且其理論和制造已非常成熟，這可為后繼的第二代、第三代器件借鑒。HBT主要由化合物半導體或合金半導體構成，需要兩種禁帶寬度不同的材料分別作為發射區和基區，寬帶隙材料作發射區，窄帶隙材料作基區。當為DHBT(雙異質結雙極型晶體管)時，集電區與基區材料帶隙也不相同。為更加有效地利用異質結晶體管的特性，其結構也不再是普通的平面結構，而是采用雙平面結構。

1.1 材料的選取及特性
雖然大部分微波功率器件被Ⅲ-V化合物功率器件占據，但Ⅲ-V化合物HBT在目前也存在著可用頻率范圍小、材料制備及工藝成本高，器件在這些材料上的集成度不高，機械強度小以及在大功率情況下熱不穩定現象嚴重，并可能造成發射結陷落和雪崩擊穿，以及晶格匹配和熱匹配等問題。
InP自身具有良好的特性，與GaAs相比，擊穿電場、熱導率、電子平均速度均更高，而且在異質結InAlAs／InGaAs界面處存在著較大的導帶不連續性、二維電子氣密度大，溝道中電子遷移率高等優點，決定了InP基器件在化合物半導體器件中的地位和優異的性能。隨著近幾年對InP器件的大力開發和研制，InPHBT有望在大功率、低電壓等方面開拓應用市場，擁有更廣的應用領域。
1987年Lyer.S.S和Patton.G.L等首次發表了用MBE技術成功地研制出Si0.88Ge0.l2基區HBT，使SiGe合金受到關注。由于近年來的研究，基于SiGe的HBT器件很好地解決了材料問題， 因其與SiCMOS器件工藝的兼容性，使得SiGe HBT能夠高度集成，而且由于材料的純度與工藝的完善，使其具有比Ⅲ-V化合物HBT更小的1/f噪聲。SiGe合金的帶隙可根據組分的變化自由調節，且其電子、空穴的遷移率比Si中的高，由于比硅單晶器件有更好的性能，SiGe與目前的硅超大規模集成電路制造工藝的兼容性使其在成本與性價比方面具有極大的優勢，因此SiGe被看作是第二代器件材料，受到廣泛重視。由于Si和Ge有高達4.2％的晶格失配，則必須在低溫下才能生長出高質量的SiGe/Si異質結，并且Ge組分越小熱穩定性就會越好。

1.2 器件的設計
功率微波晶體管不僅工作頻率高，而且承受的功率大，即要求有大的電壓和電流容量。提高電流容量需增加發射極總周長，并防止大電流下的發射結注入效率下降，避免有效基區擴展效應和發射極電流集邊效應等。從頻率和功率兩方面考慮則可用增益帶寬乘積來表示：

其中GTM是增益，f是帶寬，f T是特征頻率，le為發射極寄生電感，rb是基區電阻，CC是集電極電容。

故要減小結面積以減小電容CC，并減小rb。HBT理論(利用半導體材料帶隙寬度的變化及其作用于電子和空穴上的電場力來控制載流子的分布和流動)的提出很好地解決了這些問題。由于HBT晶體管發射區材料的禁帶寬度比基區大，對npn型HBT，其寬禁帶的發射區勢壘阻礙了基區空穴的注入，因而可在注入比不變的情況下提高基區摻雜濃度，降低基區電阻。
采用選擇再生長技術可將其基區電阻rb縮小4倍，同時利用非晶InGaAs緩變基區使通過再生長的基于GaAs的HBT獲得更低的rb、CC，從而獲得更高的fmax，這樣可擴大Ⅲ-V化合物器件的頻率范圍。這些器件有26GHz HBT，輸出功率為3.63W，功率效率(PAE)為21％；35GHz HBT，輸出功率為1W，效率為29％等。此外，我國中科院做電子研究所利用發射極金屬掩蔽進行內切腐蝕的方法研制成自對準InGaP/GaAs HBT，其特征頻率(fT)達到54GHz。
由于熱傳導的二維、三維效應，晶體管的結溫不處于統一溫度，而是隨位置變化的。在微波功率管中，這種現象更加明顯，究其原因主要有：① 微波應用中，發射極與基極的線條更細、發射極間距更小、熱偶合更加顯著；②為提高微波和功率性能，集電極電流密度很大，因而功率密度更高；③為獲得更大的 功率和充分利用芯片面積，器件有源區的面積也不斷增加，器件的中心區域熱流趨近一維傳導，而邊緣則是二維、三維導熱；④發射極電流密度對溫度的正反饋，電 流集中于中心區域。所以中心與邊緣溫度相差很大，嚴重時可達幾十度，導致器件的可靠性下降。實驗表明，低摻雜的外延層不僅能作為鎮流電阻，而且還能非常有 效地降低發射極電流集邊效應，大大提高了器件可靠性，此法主要是減弱發射極電流密度對溫度的正反饋效應，不能改變熱流的二維、三維效應。采用不等間距和不等發射極條長設計或發射條的間斷設計 (即在器件的中心區邊緣發射條斷開，并空出此區域，因而在此區域沒有功耗)可獲得結溫一致的晶體管。2003年蔡勇等人的模擬數據表明，采用功率密度非均勻設計可整體提高微波功率晶體管器件的可靠性。
對于Si／SiGe／Si的器件的設計，可采用雙平面結構。與小功率微波HBT器件相比，微波功率器件的發射結大小的特性并不是最重要的。器件設計的目標是大功率和高速度，即對于SiGe HBT來說既要有大的輸出功率，又要有高的微波波段響應頻率，這兩方面是互相限制的，所以當器件用作功率放大器時其特性可用最高振蕩頻率來衡量，即：

為了提高器件的頻率響應，采用了豎直和外延結構優化組合設計方法來達到高的，fmax值。對于SiGe HBT，Ge的含量必須很好設計，這有利于提高器件的性能。最大的Ge成分是在E-B結一邊，然后向B-C結漸變降低，是最合適的選擇，當前的研究表明35 at％左右(<40 at％)的Ge含量可使少子在基區的遷移率達到最大。
作為功率器件，基區要求高摻雜，可降低基區電阻，并可產生良好的歐姆接觸，從而降低接觸金屬的寬度，并能使基區寬度進一步縮小，這可提高頻率特性(在不考慮基區穿通的情況下)。高摻雜將降低載流子遷移率。但根據