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

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。

我国GaAs材料和器件的研究起步较早，早在1970年就开始低噪声GaAsMESFET的研究工作，并于1978年设计定型了国内第一只砷化稼微波低噪声场效应管，1974年开始研究砷化稼功率器件，在1980年国内首次定型砷化稼微波功率场效应管。进入改革开放后，由于受到国外成熟产品的冲击，GaAs器件和电路的研究特别是民用器件的研究进入低谷期，重点开展军用GaAs器件和电路的研制和攻关。2004年后，GaAs材料和器件进入高速发展期，国内成立了以中科稼英公司、中科圣可佳公司为代表多家GaAs单晶和外延材料公司，开始小批量材料供应，并取得一定的市场份额。中科院微电子所通过自主创新率先在国内建立了4英寸GaA