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

74GHz、fmax为215GHz。上述器件和电路的技术指标达到国际先进水平，但在可靠性方面尚存在一定的差距，目前处于样品阶段。2011年，我国重大专项启动"中国宽禁带半导体推进技术"，重点开展3英寸GaN器件工艺线建设和器件可靠性推进工程，最终实现"用的上、用的起"GaN功率器件和电路，实现与国际的同步发展和竞争。

4.SiC材料和器件发展现状

二十一世纪初，美国国防先进研究计划局（DARPA）启动宽禁带半导体技术计划（WBGSTI），极大推动了宽禁带半导体技术的发展。

在SiC单晶材料方面，主流的SiC晶片是3-4英寸，6英寸SiC晶片将很快进入市场。美国Cree公司作为全球SiC晶片行业的先行者，在2007年就可提供商用无微管缺陷的100mm（4英寸）SiC衬底片；2010年8月展示了其新成果，150mm（6英寸）的SiC衬底片，每平方厘米微管密度小于10个。美国DowCorning公司、II-V公司，日本新日铁和已被日本罗姆公司收购的德国SiCystal公司等都可提供直径4英寸的SiC衬底片。日本新日铁计划2011年内向客户提供6英寸SiC晶片样品，预计2015年前后量产。

在SiC功率器件方面，基于4HSiC材料的肖特基二极管（SBD）系列、JFET，以及MOSFETs晶体管已经实现量产，代表的公司主要有美国的Cree、SemiSouth、GE，德国的英飞凌、SiCED，日本的ROHM、三菱、日立、电装（DENSO）等公司。目前，商业化的SiC二极管主要是SBD，已经系列产品化，阻断电压范围600V~1700V，电流1A~50A。主要生产厂商有：美国Cree（最大额定电流50A，反向阻断电压1700V）、美国SemiSouth（最大额定电流30A，反向阻断电压1200V）、和德国Infineon（最大额定电流15A，反向阻断电压1200V），以及日本Rohm（最大额定电流10A，反向阻断电压600V）等公司。商业化的SiC晶体管包括SemiSouth公司推出的SiCJFET（阻断电压为1200V和1700V，电流为3A~30A）以及TranSiC公司推出的BJT器件（阻断电压为1200V和1700V，电流从6A~20A）。另外，美国Cree公司、日本Rohm公司已经可以量产600~1200VSiCDMOS，并开始提供功率模块样品。

SiC肖特基二极管的应用可大幅降低开关损耗并提高开关频率，广泛用于如空调、数码产品DC、DV、MP4、PC、工业控制服务器等领域。在航空航天等高新技术产业，SiC器件的应用能够有效减小系统的体积，同时具有优异的抗辐射性能。SiC电力电子器件市场从2010年开始扩展，可望出现60~70%以上的年增长率，并在2015年达到8亿美元的市场规模。其中，占主要市场份额的SiC电力电子器件形式和应用领域依次为混合动力车专用MOSFET、SBD器件和功率因数校正电路用SBD器件。

宽禁带半导体SiC材料除了用于制作高频和功率器件外，满足军事、航天应用中高温、高腐蚀环境需求的功率器件、抗辐照器件、气体传感器、高温传感器等也是SiC器件发展的一个重要领域。

（三）关注化合物半导体的一些难题

在信息社会，人们对信息大容量传输和高速处理、获取的提出越来越高的要求，使得微电子科学与技术面临许多严峻的挑战。如何充分发挥化合物半导体器件在超高频、大功率方面的优势，从而实现微电子器件和集成电路从吉赫兹到太赫兹的跨越，解决信息大容量传输和高速处理、获取的难题，依然存在若干关键问题：

1.化合物半导体材料原子级调控与生长动力学

化合物半导体材料与Si材料最大的区别在于化合物半导体是由二元、三元、四元系材料组成。结构材料是借助先进的MBE和MOCVD设备来实现的，原子级调控是利用不同种类的原子在外延过程中的结合能、迁移率等的不同，借助高温衬底提供的激活能，控制原子占据不同的晶格位置，在表面上迁移并结晶的动力学过程，使外延材料呈现出多样的晶体结构和物理特性，如不同原子层形成异质结构产生量子限制效应、不同大小原子构成应变材料产生应变效应和局域化效应以及同种原子占据不同的晶格位置产生不同的掺杂类型等。利用原子级调控实现材料的量子限制效应、极化效应、应变效应、局域化效应和掺杂效应完成能带剪裁和材料结构设计。如在传统AlGaN/GaNHEMT材料异质结界面插入2～3个原子层厚的AlN，可以改变材料的能带结构，更好地限制二维电子气，并显著降低对载流子的合金散射，提高材料中二维电子气的输运特性，能够实现对新材料、新结构设计的理论指导。因此，通过对化合物半导体原子级调控和生长动力学的研究是实现低缺陷、高性能化合物材料的关键问题。

通过深入研究化合物半导体材料原子的排列导致能带结构的变化，利用量子效应、极化效应、应变效应、能带工程设计化合物半导体的材料结构，减小载流子的有效质量，为实现超高频、太