采用GaN优化毫米波雷达

GaN和硅的三维异构集成实现了235GHz雷达的极具潜力的阵列

Florian Herrault 和 Jonathan Lynch,  HRL实验室

毫米波雷达是一种很有吸引力的用于众多军事和商业应用的技术。其穿透障碍物的能力使其成为在恶劣的视觉环境中避免碰撞，安全检查和局部区域武力保护方面很有前途的选择。

对于许多这些方面的任务，毫米波雷达可以很理想地提供高的角度分辨率。然而，在提供具有紧凑且低成本的成像系统的能力方面，对于毫米波雷达很有挑战性。

为了应对这一挑战，DARPA（美国国防高级研究计划局）开展了一项计划，即用于成像雷达的高级扫描技术（Advanced Scanning Technologies for Imaging Radars, ASTIR），旨在削减在固定平台上提供高分辨率成像的相控阵雷达的尺寸和成本。在此项目中，开发的技术针对70GHz和700GHz之间的毫米波和亚毫米波频带，因为该频域在给定角分辨率下具有最小的孔径尺寸。为了在维持合理成本的同时实现具有数千个像素的图像，该项目使用有助于尺寸缩小的光束控制方法。

我们加利福尼亚州马里布的HRL实验室，在ASTIR计划中的任务是开发一种在235GHz下工作的相控阵列。我们将其称为CASA（Coded Aperture Subreflector Array），也就是编码孔径子反射器阵列的缩写。“子反射器”一词意味着相控阵列可以与提供大孔径用于实现高分辨率的无源主反射器和可实现电子波束成形的子反射器组合。

我们选择了235GHz的频率，因为这与其他项目正在开发的雷达收发器兼容。但请注意，我们的技术可扩展到更高的频率。

我们开发CASA的基础是我们的编码孔径雷达。该技术采用了平板方法，可最大限度地减小尺寸和复杂性。通过结合晶圆级制造和集成，我们以低成本生产包含数千个元件的平板。

我们的编码孔径雷达的核心是单比特移相器，它们位于每个天线元件的后面，并调制元件信号（见图1（c））。当接收和反射雷达信号时，移相器快速切换到规定的一组状态，从而产生一系列伪随机天线模式。我们可以从与孔径代码相关联的复杂电磁场估计散射体的角度位置。这些电磁场可以通过模拟或测量来确定。

该技术的优点之一是，与传统的数字波束形成方法相比，它的计算强度要低得多。此外，通过利用计算能力，可以极大地简化RF前端的电子元件。

我们的CASA的架构（见图1）基于700μm的元件间距，这对应于235GHz的工作频率相关联波长的约一半左右。通过微机械制造的脊形波导天线和我们的RF GaN HEMT组成的RF端口完全位于CASA平板内。这些平板上的移相器控制焊盘通过背面的硅通孔互连和焊料凸点连接到硅的内插器。控制线馈通到内插器的后侧，在那里它们连接到移相器的控制ASIC。可扩展性是有可能的，因为控制64个移相器的每个ASIC在物理尺寸上都小于相应的64个CASA元件。

图1. 编码孔径子反射器阵列（CASA）结构。（a）波导天线耦合到单个电子器件用于0/180°相移。（b）CASA平板接口到ASIC，后者通过双面内插器控制移相器状态。（c）ASTIR（成像雷达高级扫描技术）计划期间开发的HRL编码孔径雷达方法的方框图。具有与GaN HEMT键合的微机械加工天线阵列在反射时提供0/180°相移。移相器状态由移位寄存器和输出驱动器控制。

我们使用开放终端脊形波导天线，因为它们具有很多优点。这些优点包括效率超过95％，小尺寸与700μm间距兼容，与晶圆级制造兼容，以及使用金-金热压键合进行简单MMIC集成的机会。

为了形成天线阵列，我们使用硅微机械加工工艺，提供高的尺寸精度和均匀性。对370μm厚的硅晶片进行深反应离子蚀刻之后是1.5μm的金溅射，形成脊形状波导阵列结构（见图2（a））。通过优化各种工艺参数，可以生产出具有光滑侧壁的高质量结构。

图2.脊形波导天线效率高，与晶圆级微机械加工和3D芯片堆叠技术兼容。金的金属化和硅蚀刻的天线具有数千个元件的高的尺寸精度和低的缺陷数量。

我们加工特征的尺寸公差和重复性都极佳。脊形间隙距离的测量，这是一个关键的220μm特征尺寸，显示出一侧的平均值为224.2μm，标准偏差为0.2μm，另一侧为243μm，标准偏差为0.7μm。请注意，所有这些值都来自数千个原件的测量数据。两侧之间的差异是由于刻蚀期间产生的可重复侧壁锥度。我们在设计中考虑到了这一点。

硅微加工工艺的一个好处是它可以保证缺陷水平很低。在我们的1024单元的阵列中，平均来说缺陷少于两个。刻蚀后，我们对阵列晶圆进行金镀膜，然后将它们切割成各种尺寸的阵列。

与GaN MMIC集成

我们的二元移相器采用我们特征尺度大幅缩小的GaN T4 HEMT技术构建，该技术具有40 nm的栅极长度，能够制备出截止频率为400GHz，最大振荡频率为600GHz的晶体管。对于这项特定的工作，MMIC必须提供235GHz的工作，并与CASA平板的芯片堆叠工艺兼容。我们通过使用我们的T4 HEMT的修改版本来实现了这一点（参见图3）。采用100μm厚的SiC衬底，我们生产出栅极长度为40nm的晶体管，这些晶体管采用镶嵌工艺制造，采用BCB电介质覆盖，并通过实心铜通孔连接到其他元件。

图3.（a）HRL的T4 GaN HEMT结构的图示，该结构是采用BCB的铜镶嵌工艺和器件栅极周围的空气腔。工艺改进包括用于天线键合的MET2，通过100μm厚的SiC衬底的实心铜通孔，精细的背面图案化，焊接掩模电介质和用于焊接的镍焊盘。（b）单个MMIC元件的照片。

为了降低寄生电容，我们在HEMT器件的栅极周围创建了一个空气腔。对工艺的修改包括插入通过SiC衬底的实心铜通孔，然后对背面进行化学机械抛光，以形成支持背面互连所需精细特征的表面光洁度。在顶侧添加MET2层有利于天线阵列的键合，而在背面上添加介电层和镍焊盘则分别提供了焊料掩模和焊料键合的区域。得到的每个芯片包含一个用于235GHz工作的8×8阵列MMIC，允许在顶侧进行金-金键合，并支持背面的焊料互连。

CASA平板是通过金-金热压键合工艺将这些MMIC连接到金属化天线阵列而形成。两个结合的表面之间的任何非理想平面度都通过位于MMIC顶面的10μm的金MET2方块来补偿（见图3（b））。

我们制备了具有1024个元件的CASA平板，每个元件由4×4个芯片组成，每个芯片包含8×8的 MMIC阵列（见图3（a））。当我们制备这些边长约23mm的CASA平板时，每个MMIC的贴装精度超过5μm，相邻MMIC之间的间隙小于20μm。

CASA平板粘合到插入物上。我们的早期演示之一涉及与单侧扇出中介层的连接，其中相移器控制信号路由到其外围（图4（c））。这是朝着具有背面ASIC芯片的高度紧凑的双面版本迈出的重要一步（见图1（b））。

图4.（a）通过将16个MMIC（每个包含8×8的移相器阵列）连接到32×32阵列天线，形成了32×32元件的阵列。上面的照片显示了组件的MMIC侧，然后将其翻转并焊料键合到内插器上（图4（c））。（b）从天线侧的扫描电子显微镜图像中可以看出脊形波导和GaN移相器。（c）单面内插器上的1024个元件CASA阵列的照片。CASA平板在室温下使用铟凸块进行键合（相同尺寸的评估测试结构通过带电测试后显示出100％的铟键合良率）。移相器控制器板使用商用模拟开关IC进行测试。内插器/平板组件随后使用导线键合集成到了相移控制器板上。

图5. 通过将阵列组件和WR-4.3扩展头安装在定位器上，并使用固定在远场中的发射扩展头照亮阵列，从而获得了远场测量结果。接收头安装具有距离阵列组件约3cm且离轴22.5°的标量馈电喇叭上，其中阵列和接收头位于双轴定位器上。发射头位于固定平台上距阵列约0.9米处，其天线瞄准定位器的中心轴。使用相位检测器通过发送参考信号解调测量的输出，随后相位检测器的输出通过数字采样示波器记录。（b）对于波束（带零点）的方位角模式，方位角上20°的步进转向表明波束形成。

为了评估我们的CASA平板的性能，我们收集了反射阵列的远场数据，使用带有扩展头的矢量网络分析仪来记录消声室中的散射场。这些测量包括将参考信号从发射头分离到相位检测器的LO输入，并将来自接收头的信号提供给RF输入。实时数字采样示波器记录每个定位器方向的基带输出，同时移相器通过一组状态切换。通过在一组方向上重复这种测量，可以为每个代码提供散射图案数据。这表明，CASA 235GHz相控阵工作正常（参见图5（b）中来自反射阵列的数字波束形成数据，其中波束在方位面上以20°的间隔形成）。

我们的工作展示了RF GaN，III-V器件技术的先进后端工艺，3D芯片堆叠和平板架构的结合，是如何帮助成像应用中生产可扩展的毫米波相控阵。结果表明，我们的CASA技术是可负担的高分辨率成像雷达的可行方法。

更一般地说，下一代毫米波子系统需要利用不同技术针对不同形状因子的芯片的异构集成方面取得进展。我们正在利用这些进步来构建用于毫米波成像和通信的尖端高频模块。

作者注：这项研究是在国防高级研究计划局（DARPA）的资助下开发的。所表达的观点，意见和/或调查结果均为作者的观点，意见和/或调查结果，不应解释为代表国防部或美国政府的官方观点或政策。

扩展阅读

F. Herrault et al. CS-Mantech-2018

J.J. Lynch et al. SPIE DCS 2017

J.J. Lynch IEEE Trans. Aero. And Elect. Sys. 52 918 (2016)

K. Shinohara et al. IEEE Trans. Elect. Dev. 60 2982 (2013)