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

电器件的研制，如肖特基二极管、光电探测器等。2004年随着973项目"新一代化合物半导体电子材料和器件基础研究"的启动，InP基电子器件和电路的研究才逐渐得以重视，目前中科院和中电集团先后在3英寸InP晶圆上实现了亚微米发射极宽度的InP基HBT和亚100nmT型栅的InP基HEMT器件，截止频率超过300GHz。在毫米波电路的研究方面，中科院和中电集团已成功地研制出W波段的低噪声放大器、功率放大器和VCO样品；此外采用InPDHBT工艺实现了40GHz分频器、比较器和W波段的倍频器、混频器等系列芯片，为W波段系统的应用奠定了基矗

3.GaN材料和器件发展现状

氮化镓（GaN）作为第三代宽禁带半导体的代表，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。由于其高频率、高功率、高效率、耐高温、抗辐射等优异特性，可以广泛应用于微波毫米波频段的尖端军事装备和民用通信基站等领域，因此成为全球新一代固态微波功率器件与材料研究的前沿热点，有着巨大的发展前景。

GaN基HEMT结构材料和器件是当前国际上及其重视的研究方向。以美国为首的西方国家都将GaN基微波功率器件视为下一代通讯系统和武器应用的关键电子元器件，并设立专项研究计划进行相关研究，如美国国防先期研究计划局（DARPA）的宽禁带半导体计划"WBGS"，提出了从材料、器件到集成电路三阶段的研究计划，并组织三个团队在X波段、宽带和毫米波段对GaN基HEMT及其微波单片集成电路（MMIC）进行攻关。在宽禁带半导体计划取得重要进展的基础上，美国DARPA在2009年又启动了面向更高频率器件的NEXT项目，预计4－5年内将器件的频率提高到500GHz。目前，在GaN基微电子材料及器件研究领域，美国和日本的研究处于世界领先水平，美国主要研究机构有UCSB大学、Cree公司、APA公司、Nitronex公司、Cornell大学、USC大学等，日本的主要研究机构有名古屋理工学院、NEC公司、Fujitsu公司和Oki公司等。2003年，ITRSroadmap中指出：GaN基器件在高偏压、大功率、大功率密度等应用领域具有巨大潜力，是功率器件固态化的首选。德国夫琅和费固态物理应用学会也在2005年的年度报告中指出：由于GaN基HEMT器件具有的大动态范围和良好的线性，它将成为未来更大功率的基站、雷达系统使用的功率器件。经过近十年的高速发展和投入，GaN功率器件和电路取得令人瞩目的成就，主要在宽带、效率、高频三个领域全面超越GaAs器件，成为未来应用的主流。在宽带电路方面，实现了2-18GHz和6-18GHz宽带GaN微波功率单片电路，连续波输出功率达到了6-10W，功率附加效率为13%-25%；在高效率方面，X波段MMIC输出功率20W，功率附加效率达到了52%。X波段内匹配功率器件脉冲输出功率60.3W，功率附加效率高达43.4%。2011年，Hossein报道了3.5GHz下的功率器件，效率达到80%。2010年M.Roberg研制的F类功率放大器件，在2.14GHz，输出功率8.2W，效率达到84%；在高频率方面，美国HRL实验室报道了12路GaNMMIC波导合成的毫米波功率放大器模块，在95GHz下，输出功率超过100W的GaNMMICs功放合成模块；2011年，美国Raytheon公司报道了三款分别针对于高效率、高增益、高输出功率的毫米波GaNMMIC电路，在95GHz下，最高增益为21dB；在91GHz下，最高PAE大于20%；在91GHz下，最高输出功率为1.7W。同时，长期困扰GaN功率器件实用化的瓶颈：可靠性问题，随着材料、工艺和器件结构等技术水平的提高，已实现了MTTF达到108小时。2010年，美国Triquint公司宣布推出3英寸GaN功率器件代工线服务，并发布了覆盖2-18GHz的系列器件和电路，这标志着GaN产品时代正式到来。

我国GaN功率器件和电路的研究起步较早，材料和器件的研究取得了突破性进展：3英寸半绝缘4H-SiC单晶电阻率大于108·cm，微管缺陷密度低于30个／cm2，并实现了小批量供货；SiC衬底HEMT结构材料的室温方块电阻小于270?/?，室温2DEG迁移率和面密度乘积达到2.4x1016/Vs，蓝宝石衬底HEMT结构材料的室温2DEG迁移率大于2180cm2/V.s，室温2DEG浓度与迁移率的乘积大于2.3?1016/V.s，室温方块电阻小于280?/?，达到国际先进水平。在器件和电路方面，国内建立了四条GaN功率器件研制线，研制出覆盖C-Ka波段系列内匹配器件和电路。X波段和Ka波段器件输出功率密度分别达17W/mm和3W/mm以上；8-12GHzGaNMMIC脉冲输出功率20W，功率附加效率为32%；15-17GHzGaNMMIC脉冲输出功率17W，功率附加效率为27%；Ku波段内匹配器件脉冲输出功率20W，功率附加效率大于25%；Ka波段MMIC脉冲输出功率达到3W，W波段器件fT大于1