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

s工艺线，并成功地研制出10Gb/s激光调制器芯片等系列电路。传统的器件研制单位中电集团13所和55所通过技术引进完成2英寸到4英寸工艺突破，初步解决Ku波段以下的器件和电路的国产化问题，其中8-12GHzT/R组件套片已成功地应用大型系统中，但在成品率、一致性、性价比等方面尚存在一定的差距，在民品市场中尚缺乏竞争力。Ka波段以上的GaAs器件和电路尚没有产品推出，严重地制约了我国信息化建设。

目前，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，国内手机和光纤通信生产厂家他们对元器件受国外制约甚为担忧，迫切希望国内有能提供稳定供货的厂家。由于GaAsIC产品尚未达到垄断的地步，随着国家对高新技术产业扶持政策的出台，这正是发展GaAs电路产业化的绝好的市场机会。只要我们能形成一定的规模生产，开发生产一系列高质量高性能的电路，完全有可能占领大部国内市场，并可进入国际市场竞争。

2.InP材料和器件国内外发展现状

InP基半导体材料是以InP单晶为衬底而生长的化合物半导体材料，包括InGaAs、InAlAs、InGaAsP以及GaAsSb等材料。这些材料突出的特点是材料的载流子迁移率高、种类非常丰富、带隙从0.7到将近2.0eV、有利于进行能带剪裁。InP基器件具有高频、低噪声、高效率、抗辐照等特点，成为W波段以及更高频率毫米波电路的首选材料。InP基三端电子器件主要有InP基异质结双极晶体管（HBT）和高电子迁移率晶体管（HEMT）。衡量器件的频率特性有两个指标：增益截止频率（fT）和功率截止频率（fmax）。这两个指标决定了电路所能达到的工作频率。InP基HBT材料选用较宽带隙的InP材料作为发射极、较窄带隙的InGaAs材料作为基极、集电极的材料根据击穿电压的要求不同可以采用InGaAs材料或InP材料，前者称为单异质结HBT，后者称为双异质结HBT，且后者具有较高的击穿电压。InP基HEMT采用InGaAs作为沟道材料、InAlAs作为势垒层，这种结构的载流子迁移率可达10000cm2/Vs以上。

以美国为首的发达国家非常重视对InP基器件和电路的研究。从上世纪九十年代起，美国对InP基电子器件的大力支持，研究W波段及更高工作频率的毫米波电路以适应系统不断提高的频率要求。最先获得突破的是InP基HEMT器件和单片集成电路（MMIC）。在解决了提高沟道迁移率、T型栅工艺、欧姆接触以及增加栅控特性等关键问题后，2002年研制成功栅长为25nm的HEMT器件，fT达到562GHz，通过引入InAs/InGaAs应变沟道，实现栅长为35nm器件的fmax达到1.2THz。InP基HEMT器件在噪声和功率密度方面都具有优势：MMIC低噪声放大器（LNA）在94GHz下的噪声系数仅为2.5dB、增益达到19.4dB；PA的功率达到427mW、增益达到10dB以上。美国的NorthropGrumman公司形成了一系列W波段MMIC产品。采用截止频率达到THz的InP基HEMT器件，也已经研制成功大于300GHz的VCO、LNA和PA系列MMIC，并经过系统的演示验证。

InP基HBT的突破是在本世纪初，美国加州大学圣巴巴拉分校的M.Rodwell领导的研究组率先将InP基HBT的fT和fmax提高到200GHz以上。其后采用采用转移衬底技术实现的HBT，fT为204GHz，fmax超过1000GHz；2007年，Illinois大学制作成功发射极宽度为250nm的SHBT，其fT超过800GHz，fmax大于300GHz；为了解决SHBT中击穿电压低的问题，2008年UCSB设计实现了无导带尖峰的双异质结HBT（DHBT），fT突破500GHz，fmax接近800GHz，击穿电压大于4V；采用GaAsSb基极，与发射极和集电极的InP材料形成II-型能带结构的InPDHBT的fT大于600GHz，并具有很好的击穿特性。在器件突破的同时，国外的InP基单片集成功率放大器（PA）、和压控振荡器（VCO）的工作频率都被推进到300GHz以上。据报道，国外3毫米波段（100GHz）的系统已经进入实用化阶段，频率高达300GHz的演示系统也已出现。

我国InP基材料、器件和电路的研究起步较晚，近些年取得了长足的进步。在InP单晶方面，国内拥有20多年研究InP单晶生长技术和晶体衬底制备技术的经验和技术积累，已经实现了2和3英寸的InP单晶抛光衬底开盒即用，其位错密度等方面与国外衬底材料相当，近年来一直为国内外用户批量提供高质量2和3英寸InP单晶衬底；在外延材料方面，中科院在InP衬底上实现了InP基HBT和HEMT器件结构，并突破了复杂结构的HBT材料的生长，实现了高质量的InP基HBT外延材料，生长的InP基HEMT外延材料的载流子迁移率大于10000cm2/Vs，并已实现了向器件研制单位小批量供片；在器件研制方面，2004年前主要开展InP基光