中科院微电子所刘新宇：化合物半导体电子器件研究与进展

一、引言

化合物半导体具有饱和速度高、能带易剪裁、带隙宽等特性，在超高频、大功率、高效率等方面表现出优越的性能，因此，化合物半导体电子器件已经成为发展信息大容量传输和高速处理、获取的重要器件。以砷化镓（GaAs）为代表的第二代半导体技术日趋成熟，已广泛地应用于无线通信、光电通信等领域，成为目前高端信息通信领域的主流；继硅（Si）之后，GaAs、磷化铟（InP）和第三代半导体（宽禁带半导体）的氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）材料和器件成为目前国际上研究的热点。InP材料具有电子迁移率高和饱和漂移速率大的特点，是实现毫米波电路和太赫兹电子器件的主要选择；GaN作为第三代宽禁带化合物半导体，具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和击穿场强等优点，器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上，成为大功率固态微波器件发展的最佳选择。SiC电力电子器件由于频率高、开关损耗小、效率高等优良特性，成为绿色能源发展的必然趋势。

化合物半导体材料和器件经过半个世纪的发展，特别是近二十年的突飞猛进，通过发挥化合物半导体材料的优良特性，在高频、大功率、高效率等方面与硅基集成电路形成互补，已经广泛地应用于信息社会的各个领域，如无线通信、电力电子、光纤通信、国防科技等等。近几年，随着材料生长、器件工艺、电路集成等技术不断发展，以及新结构、新原理等不断突破，化合物半导体领域未来发展趋势呈现四个主要方向：1）充分挖掘材料的优势，引领信息器件频率、功率、效率的发展方向；2）高迁移率化合物半导体材料：延展摩尔定律的新动力(310328,基金吧)；3）与硅基材料和技术融合，支撑信息科学技术创新突破；4）SiC电力电子器件异军突起，引领绿色微电子发展。

针对上述化合物半导体材料和器件的发展趋势，如何充分发挥化合物半导体器件在超高频、大功率、高效率等方面的优势，解决信息大容量传输和高速处理、获取的难题，依然存在如下关键问题：1）化合物半导体材料原子级调控与生长动力学研究，它是实现低缺陷、高性能化合物材料的关键。2）大尺寸、大失配硅基化合物半导体材料生长，这是未来化合物半导体跨越式发展的核心。3）超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律，是探索新原理、高性能化合物器件的基础。4）化合物半导体器件与集成技术中电、磁、热传输机理与耦合机制，是实现化合物半导体器件研究到电路应用的纽带。

二、化合物半导体领域发展现状

（一）化合物半导体领域研究背景

二十一世纪是通信和网络的时代。随着通信容量的爆炸性增长，作为未来主要的通信手段，光纤通信和移动通信的工作频率越来越高，这对通信系统中的核心器件及关键电路的性能（频率、功率及噪声等）提出了越来越高的要求。光纤通信主要采用2.5Gb/s和10Gb/s的密集波分复用技术，随着信息传输容量的飞速增长，提高单个信道的传输速度已经成为降低信息传输成本的必然途径。目前国际上40Gb/s、100Gb/s、160Gb/s的TDM传输系统已经在实验室研制成功，预计在未来5-10年将会逐渐进入市场；在移动通信方面，随着第三代移动通信的普及和第四代手机的研发，手机芯片已开始向更多频带、更大带宽、更高集成度方向发展；卫星通信的频率则更高，民用卫星通信也已进入C波段（4-8GHz）和Ku波段（12.4-18GHz）；在物联网的无线互连方面，要求功率附加效率高、信道噪声低的无线收发模块；毫米波（30-300GHz）通信、雷达与成像在军事领域中的研究和应用也很活跃。总之，更高的工作频率、更快的传输速度、更远的无线连接距离、更快的信息处理能力代表了21世纪信息产业的发展方向。

（二）化合物半导体领域发展现状

随着新材料技术的发展，化合物半导体由于其优异的物、化以及电学特性，异军突起，基于GaAs、InP、GaN、SiC等半导体材料的核心芯片以其高性能、多功能、集成化的优势在各类信息系统中发挥着关键作用。

以GaAs为代表的第二代半导体技术日趋成熟，已广泛地应用于无线通信、光电通信等领域，成为目前高端信息通信领域的主流。但是在星用高可靠技术、以及基于E/D工艺的多功能集成技术等方面尚有许多应用有待拓展。而InP技术随着应用领域不同向着高工作频率（毫米波、THz）和超高速（DDS时钟速率大于>30GHz）发展，对InP基HEMT和HBT技术提出了迫切需求。InP器件截至频率达到766GHz，UCSB开发出324GHzMMIC，3mmInPHEMT器件输出功率大于25dBm，BAE公司研制出了工作频率达24GHz的InPDDS，其中相位累加器为12比特，整个电路共集成了4470个单管。InP技术已经成为高频、高速、混合信号技术的主流趋势。

而新兴的以GaN、SiC为代表的第三代半导体（宽禁带半导体）技术近年来突飞猛进。GaN由于其更高的击穿电压和饱和迁移率，具有更高的输出功率，功率密度达到GaAs的10倍；而宽禁带半导体的工作电压达到30～100V甚至更高，可有效提高系统效率。而SiC衬底拥有极好的热传导性，可以在200℃以上的高温环境下工作。目前，SiC单晶衬底尺寸由3英寸向4英寸发展，并正在开发硅等低成本衬底的GaN，应用于移动通讯；美国TriQuint公司研制的SiC基GaNHEMT器件，输出功率100W，效率大于55%，微波可靠性不断提升，GaN器件平均无故障时间超过1E7小时。SiC电力电子器件已开发出10kV110A（兆瓦级）模块，SiCMOSFET、IGBT等新结构器件不断涌现，在直流输变电、电驱动等新型系统中有迫切需求。随着材料和工艺的稳定，在美国宽禁带半导体目前已出现代工线，可以面向美国国内开放服务。宽禁带半导体技术已成为未来大功率技术的必然发展趋势，将在雷达探测、通讯、电子对抗、动力系统等各类信息系统中发挥革命性作用。下面，将从材料类型不同角度对GaAs、InP、GaN、SiC、其他材料的国内外发展现状进行阐述。

1.GaAs材料和器件发展现状

以GaAs为代表的化合物半导体器件在高频、高速、高带宽以及微波毫米波集成电路中具有明显的优势，国际上的化合物半导体材料与器件的研究已经成为一大持续升温的热点领域。化合物半导体高频器件与电路是实现高速光纤通信系统、高频移动通信系统必不可少的关键部件。并且在新兴的汽车防撞系统、卫星定位系统以及军用微波/毫米波雷达系统等领域具有广阔的应用前景。随着今后通信系统频率的不断提高，它的优势会更加突出，将会形成巨大的市场需求与经济效益。更为重要的是，随着微电子技术发展到22纳米节点后，硅基集成电路正面临来自物理与技术的双重挑战，采用高迁移率化合物半导体来替代硅材料延展摩尔定律已经成为近期微电子前沿领域的研究热点，学术界普遍认为，化合物半导体将在微电子领域引发一场意义深远的技术革命。

目前，以砷化镓（GaAs）为代表的化合物半导体高频器件及电路技术已经进入了成熟期，已被大量应用于高频通信领域，尤其是移动通信和光纤通信领域，到2009年其市场规模已经达到了45亿美元。随着GaAsIC制造成本的大幅度下降，它们在功率放大器、低噪声放大器和射频开关电路在移动通信RF前端占据了主要地位，手机与移动基站的芯片是GaAsIC最大的市场，约占其市场份额的45%左右；随着DWDM驱动光纤通信容量的增加，GaAsIC在SONET芯片方面的需求大幅度增加，其市场份额大约为22%。工业、汽车、计算机和军事市场占据了GaAsIC市场的34%，工业市场主要是高频高速测试系统，计算机和网络速度已经达到Gb/s，需要大量LAN和WAN。汽车应用主要是防撞雷达的使用。而军事应用保持在4亿美元／每年左右。目前，国际上生产民用GaAs器件及电路的代表性企业有美国的VITESSE、TRIQUINT、ANADIGICS、MOTONOLA、LUCENT、ALPHA、AGILENT、HP；日本的NTT、Oki、Fujisu；德国的西门子；台湾的稳懋、宏捷、全球联合通讯以及尚达等。大量事实已证明：砷化镓器件及电路是一项技术含量高、利润率高，市场前景和经济效益不可低估的高技术产业。正因为目前市场需求强劲，今后发展前景看好，近年来国际上许多公司纷纷上马新的GaAs制造线。尤其是美、日、德等国的大公司（例如：Vitesse、Anadigics、Siemens、Triquint、Motorola、Alpha等公司）相继建成或正在新建6英寸GaAs生产线，今年这些公司都将由4英寸转入6英寸大规模生产。他们生产的主要产品是移动通信射频电路（如GaAs手机功率放大器和低噪声放大器电路等）以及光纤通信发射和接收电路（如GaAs激光驱动器、接收器、复用器及解复用器、时钟恢复电路等）、微波功率晶体管及功率放大器等各种系列的产品。