Monolitický mikrovlnný integrovaný obvod

Monolitický mikrovlnný integrovaný obvod (MMIO, angl. Monolithic Microwave Integrated Circuit, MMIC) je typ integrovaného obvodu pracujúceho v pásme mikrovlnných frekvencií (od 300 MHz do 300 GHz).

Funkcie týchto obvodov sú zvyčajne: zmiešavanie, nízkošumové zosilňovanie, vysokofrekvenčné prepínanie. Vstupy a výstupy MMIO sú často impedančne prispôsobené na charakteristickú impedanciu 50 ohmov. Toto prispôsobenie uľahčuje ich kaskádové použitie, kde odpadá potreba použitia extra prispôsobovacieho obvodu. Navyše najviac mikrovlnných testovacích obvodov je navrhnutých pre použitie v 50 ohmových prostrediach.

MMIO sú rozmerovo veľmi malé (od približne 1 mm² do 10 mm²) a môžu byť masovo vyrábané, čo umožnilo rozšírenie vo vysokofrekvenčných zariadeniach ako napríklad mobilné telefóny.

Pôvodne boli MMIO vyrábané s využitím arzenidu galitého (GaAs). Malo to dve zásadné výhody oproti kremíku (Si), čo je tradičný materiál pri výrobe integrovaných obvodov. Jedna je rýchlosť zariadenia a druhá vlastnosti poloizolačného substrátu. Oba faktory sú nápomocné pri navrhovaní vysokofrekvenčných obvodov. Rýchlosti technológií na báze kremíka postupne rastú so zmenšovaním tranzistorov a preto MMIO už môžu byť vyrábané aj z tohoto materiálu. Hlavná výhoda kremíka je v nižšej výrobnej cene oproti GaAs. Kremíková doska je ale prevažne hrubšia. Iné materiály ako fosfid inditý (InP) sa preukázali ako dobré pre zvýšenie výkonu, zvýšenie medznej frekvencie a zníženie šumu. Kvôli malým rozmerom a zvýšenej krehkosti materiálu sú drahšie. Kremík germánium (SiGe) je polovodič na základe silikónu poskytujúci vyššie rýchlosti tranzistorov než bežné silikónové zariadenia pri zachovaní jeho cenovej výhodnosti. Gálium nitrid (GaN) je tiež možnosťou pre MMIO. Pretože GaN tranzistory môžu pracovať pri vyšších teplotách a pri vyšších napätiach ako GaAs tranzistory, sú ideálnymi zosilňovačmi v mikrovlnných frekvenciách.

Vlastnosti

• pracovný rozsah 0,5 až 30 GHz mm spektrum 30 až 300 GHz
• výhody:
  • v mmW apl. nespája obvody drôtikmi ako v HMIO
  • asi 10 x nižšia cena v porovnaní s hybridnými MIO

Ďalšie výhody MMIO

• nízka cena
• malé rozmery
• flexibilita návrhu obvodu
• širokopásmovosť
• eliminácia skrútenia obvodu
• schopnosť vyrábať veľké množstvá
• zjednodušenie zapúzdrenia
• zlepšená reprodukovateľnosť
• zvýšená odolnosť
• vylepšená spoľahlivosť
• viac funkcií na jednom čipe

Aktívne prvky MMIO

• tranzistor metal-semiconductor FET (MESFET)
• tranzistory s vysokou hybnosťou elektrónov (HEMT - High Electron Mobility Transistor)

MMIO využívajú tranzistory so samostatným hradlom (SAG self-aligned gate) alebo tranzistory so zapusteným hradlom (recessed-gate). SAG tranzistory vykazujú vyššiu stabilitu výkonu.

Spracovanie GaAs MMIO je menej zložitejšie než kremíkové MMIO pre zariadenia pracujúce v dolnom frekvenčnom pásme mikrovlnového spektra. Kremík má sám o sebe menšiu schopnosť pracovať na nižších frekvenciách (cca 1 až 2 GHz) a má horšie izolačné vlastnosti pre účely integrácie súčiastok, preto je potrebné špeciálne spracovanie (2 až 3 x viac masiek než GaAs), z čoho vyplýva ich vyššia cena.

Výroba MMIO

1. vytváranie aktívnej vrstvy na vhodnom poloizolačnom GaAs substráte: iónovou implantáciou, epitaxiou
2. vytvorenie hradiel zmesou nitrid-wolfrám-titánu (TiWN); voľba materiálu pre hradlo závisí na dobrej priľnavosti k GaAs substrátu, elektrickej vodivosti a teplotnej stabilite
3. vytvorenie ohmických kontaktov zariadení z dôvodu dobrého kontaktu medzi prepojovacím kovom a aktívnym kanálom na povrchu polovodiča; kontakty sú vytvárané legovaním zlatom a germániom (88% Au a 12% Ge)
4. prekrytie hradla zmesou TiPdAu naparením alebo technikou lift-off
5. nanesenie dielektrickej vrstvy pre pasiváciu (izoláciu) aktívnych plôch zariadení, R a C, ako dielektrikum sa používa nitrid kremíka - chemickým nanášaním z pár podporovaným plazmou (PECVD Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) alebo naprašovaním. Hrúbka dielektrika určuje kapacitu na jednotku plochy kondenzátorov MIM (Metal-Insulator-Metal)
6. prepojenie prvkov a vrchných dosiek MIM kondenzátorov sa robí nanesením vrstvy druhej úrovne so zložením TiWN/Au
7. spracovanie zadnej strany substrátu: stenčenie brúsením alebo lapovaním, leptanie vias (prepojovacie otvory), a plátovanie zemniaceho kontaktu (Au)
8. automatické testovanie na substráte s mikrovlnnými sondami
9. narezanie obvodov na požadované rozmery