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