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

在Intel、IBM等国际著名半导体公司的大力推动下，高迁移率III-VMOS器件的研究取得了一系列突破性进展：（1）与同等技术水平的硅基NMOS技术相比，高迁移率III-VNMOS技术具有显著的速度优势（速度提高3-4倍）、超低的工作电压（0.5V电源电压）和极低的功耗（动态功耗降低一个数量级）；（2）与新兴的分子、量子器件相比（例如有机分子器件、碳基纳米器件），III-V族化合物半导体材料已广泛应用于微波电子与光电子器件领域，人们对其材料属性与器件物理的了解十分深入，其制造技术与主流硅工艺的兼容性好；（3）III-V族化合物半导体是光发射与接收的理想材料，这将为极大规模集成电路（ULSI）中光互连技术以及集成光电子系统的发展带来新的契机。

鉴于高迁移率CMOS技术的重大应用前景，采用高迁移率III-V族半导体材料替代应变硅沟道实现高性能CMOS的研究已经发展成为近期微电子领域的研究重点，2009年至2011年的国际电子器件会议（IEDM）每年有超过10篇高迁移率III-VMOS器件的研究论文。近年来，ITRS也将高迁移率III-V族化合物材料列为新一代高性能CMOS器件的沟道解决方案之一。根据Intel公司的预计，高迁移率III-VMOS技术将在2015年左右开始应用于11纳米CMOS技术节点。

目前，在世界范围内尚处于起步阶段的高迁移率CMOS技术的研究现状，为我国在“后22纳米”CMOS领域的研究提供了自主创新的新机遇。如果我们能够抓住机遇，在集成电路技术的前沿领域实现突破，这将打破我国微电子研究长期追赶国际前沿、无法取得核心技术的被动局面。

（三）与硅基材料和技术融合，支撑信息科学技术创新突破

随着信息技术向推动人类社会在健康、环境、安全、新价值深入发展的新技术范畴发展，传统CMOS技术不能满足所有信息系统在现实世界的各种不同需求，例如无线电频率和移动电话，高压开关与模拟电路非数字的功能，以及汽车电子照明和电池充电器、传感器和执行器和至关重要的控制汽车运动的安全系统电路，这些新的电子应用领域需要发展新型功能器件与异质融合技术。化合物半导体在功率、频率、光电集成、信息传感、量子新器件等方面具有巨大的优势，而硅基材料和集成电路在信号处理与计算、功能集成等领域占据主导地位，同时在性价比、工艺成熟度等方面具有化合物不可比拟的优势，将两者的优势有效结合，是化合物半导体发展的必然趋势。

将以GaAs和InP为代表的III-V族化合物半导体、以GaN和SiC为代表的第三代半导体与硅基材料集成是目前发展的重点。Si基GaAs、InP将在光电集成和量子集成等方面呈现优势，美国先后投资5.4亿美金开展CosMOS、硅基光电单片集成、光互连等计划，重点支持硅基InP材料和集成技术研究，通过将InP材料的高频和光电特性与硅基集成电路结合发展超高频数模电路、光电单片系统和超级计算机用多核处理器等。其中，美国国防部高级研究计划局投资1820万美元（约合1.2亿人民币）开发大尺寸硅基III-V族化合物半导体材料技术（COSMOS项目），已在高性能数模集成电路和单片系统集成的领域广泛应用。Si基GaN材料和器件是目前研究另一大热点，其目的是将GaN的击穿电压大、功率高的优势与硅集成电路成熟廉价的优势结合起来，为电力电子、功率传输、高亮度发光等方面技术发展和普及应用提供技术支撑。2011年5月，欧洲研究机构IMEC与其合作伙伴最近成功在200mm规格硅衬底上制造出了高质量的GaN/AlGaN异质结构层，并正合作研究基于氮化镓材料的HEMT晶体管技术，这标志着在将功率器件引入200mm规格芯片厂进行高效率生产方面取得了里程碑式的成就。由此可见，与硅基材料和技术融合将是未来信息科学技术创新突破的基础与支撑之一。

（四）SiC电力电子器件异军突起，引领绿色微电子发展

多年来，由于SiC材料和器件的制备工艺难度大、成品率低，因而价格较高，影响其向民用市场的推广应用。在单晶方面，国际上一直致力于SiC衬底晶片的扩径工作，主要原因是使用大直径SiC衬底（如6英寸衬底）不但可提高生产效率，而且也有助于减少器件的制造成本。

自2007年至今，市场上的商用SiC衬底片从50mm发展到150mm，SiC衬底的直径越来越大，并且位错、微管等缺陷的密度越来越低，从而使SiC器件的成品率提高、成本降低，生产SiC产品的厂商越来越多，更多的领域开始使用SiC器件。法国市场调研公司YoleDevelopment提供的数据表明从2005年至2009年SiC器件市场的年增长率为27%，从2010年至2015年的年增长率将为60%~70%。我国天科合达蓝光半导体公司进入SiC衬底市场后，迅速降低了国际上SiC衬底的价格，从而推动SiC器件的更快普及。

随着SiC衬底尺寸的加大、工艺技术水平的不断提高，节能技术快速发展的需求，SiC电力电子器件的发展十分迅速，在SiC功率器件研究方面，除了SiCSBD系列化产品外，SiCMOSFET性能和可靠性进一步完善，SiC功率器件向高速、高压、高功率方向发展，包括：SiCBJT器件、高压SiCPiN器件，以及SiCIGBT器件。SiC器件从实验室向商业化制造和工程化应用方向快速发展，国际厂商纷纷进入SiC器件制造领域。Cree公司的SiCSBD的开关频率从150kHz提高到500kHz，开关损耗极小，适用于频率极高的电源产品，如电信部门的高档PC及服务器电源；开发10kV/50A的PiN二极管和10kV的SiCMOSFET的市场目标是10kV与110A的模块，可用于海军舰艇的电气设备、效率更高和切换更快的电网系统，以及电力设备的变换器件，其SiCMOSFET更关注于混合燃料电动车辆的电源与太阳能模块。此外，日本半导体厂商也陆续投入SiCIC量产，FujiElectricHoldings评估在子公司松本工厂生产SiC半导体器件，该公司预计2011年度开始量产；三菱电机预计2011年度在福冈制作所设置采用4寸晶圆之试产线，投入量产，产能为每月3千片。Toshiba则以2013年正式投产为目标，在川崎市的研发基地导入试产线，将运用于自家生产的铁路相关设备上。

SiC功率器件商业化应用提速，国际SiC器件厂商不断完善SiC功率器件系列，SiC功率器件走向实用化。三菱电机2010年实现首次将SiC肖特基势垒二极管配置在空调上，使SiC二极管实现了实用化，同时，三菱还积极推动二极管与晶体管都采用SiC功率器件的功率模块的“全SiC”化。从中期来看，SiC功率器件将向汽车和铁路机车领域扩展。SiC功率器件将出现在混合动力车及电动汽车等电动车辆的主马达驱动用逆变器中；而且，SiC功率器件在铁路机车应用中的时间有可能早于在汽车中的应用。

SiC器件的发展带动功率模块的快速发展，部分SiC器件厂商计划将SiC功率器件以模块形式销售，面向空调、功率调节器销售SiC模块的通用产品，面向电动车辆及铁路车辆销售定制产品。另外，电动车辆用途方面，除了SiC模块之外，还有可能提供包括马达在内的综合系统。

采用碳化硅等新型宽禁带半导体材料制成的功率器件，实现人们对“理想器件”的追求，将是下个世纪电力电子器件发展的主要趋势。

四、体会与期望

当前我国已初步解决Ku波段以下的化合物半导体器件和电路的国产化问题，但GaAs电路芯片由多家美、日、德等国的大公司（例如：Vitesse、Anadigics、Siemens、Triquint、Motorola、Alpha、HP、Oki、NTT等公司）供应。在InP、宽禁带化合物半导体（GaN、SiC）方面，技术和产业化方面已经有了重要的突破，形成以中电集团、中科院和高校为核心三支队伍。重要的是我国目前移动电话用户总数已经突破7亿，互联网用户超过3亿，数字有线电视用户将突破1亿，信息网络建设的大发展必将给光通信产品制造业带来巨大的市场需求，迫切希望有价格便宜的国产相关元器件，以降低成本、增强竞争力。我国各类与移动、光纤和高速电路有关的芯片需求约达到3亿块以上，估计每年产值可达数亿元至几十亿元。完全有理由相信，我国的化合物半导体电子器件定会高速发展。