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

赫兹和毫米波大功率器件的材料结构设计提供理论指导；深入开展材料结构与器件宏观性能的关联性研究，通过材料结构设计提高二维电子气浓度和迁移率、减少导带尖峰、抑制电流崩塌和短沟效应，提高器件的性能；深入研究化合物半导体表面再构形成的机理，考虑半导体的表面能带弯曲对生长过程中原子的运动、结合机制影响，建立包含固相、气相和表面相的热力学模型，形成完善生长理论，解决同质和异质界面生长的动力学问题；深入研究应力场中原子运动和结合机制，掌握缺陷的形成、增殖和运动机制，解决大失配异质结构的生长、以及应力场中的高掺杂问题。

2.大尺寸、大失配硅基化合物半导体材料生长

硅基上实现高性能的化合物半导体材料一直是研究人员和工业界追求的目标，一方面，该技术可以大大降低化合物器件的成本，另一方面，可以充分利用硅基材料与化合物材料的结合实现多功能器件和电路的融合，如光电一体、高压低压一体、数字微波融合等等，将未来系统设计带来巨大的变革。因此，大尺寸、大失配硅基化合物半导体材料生长是未来化合物半导体跨越式发展的关键。但实现大尺寸、大失配硅基化合物半导体材料生长面临着诸多挑战和问题：一是大失配问题，硅衬底与III-V族半导体材料之间存在三种主要"失配"，即晶格常数失配、热膨胀系数失配、晶体结构失配。晶格常数失配在异质外延过程中将引入大量的位错与缺陷；热膨胀系数差异将导致热失配，在高温生长后的降温过程中产生热应力，从而使外延层的缺陷密度增加甚至产生裂纹；晶体结构失配往往导致反向畴问题。二是极性问题，由于Si原子间形成的健是纯共价键属非极性半导体，而III-V族半导体材料（如GaN）原子间是极性键属极性半导体。对于极性/非极性异质结界面有许多物理性质不同于传统异质结器件，所以界面原子、电子结构、晶格失配、界面电荷和偶极矩、带阶、输运特性等都会有很大的不同，这也是研究Si衬底III-V材料和器件所必须认识到的问题；三是硅衬底上Si原子的扩散，在高温生长过程中Si原子的扩散加剧，导致外延层中会含有一定量的Si原子，这些Si原子易于与生长气氛中的氨气发生反应，而在衬底表面形成非晶态SixNy薄膜，降低外延层的晶体质量。

通过研究大失配材料体系外延生长过程中位错与缺陷的形成机理与行为规律，探索外延材料质量与生长动力学之间的内在联系，研究衬底与外延层之间的介质层对初始成核的影响，解决Si与III-V族材料晶体结构不同导致的反向筹的问题，优化缓冲层技术与柔性衬底技术的结构设计、材料组分、生长条件、生长模式，降低外延层中的位错和缺陷密度，采用应力补偿与低温外延技术等方式抑制裂纹的形成与扩展，借助中断生长技术、MEE技术实现对界面的控制，从而获得低缺陷密度、高迁移率、稳定可靠的硅衬底上III-V族半导体材料。

3.超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律

化合物半导体器件由于材料自身特性，如电子迁移率高、二维电子气浓度高、击穿场强高、饱和漂移速度大等特点，非常适合于超高频、大功率器件和电路的研究，特别是在利用化合物半导体实现超高频CMOS器件、InP基实现太赫兹器件、GaN基实现毫米波大功率等方面极具潜力。但随着器件频率从吉赫兹跨越到太赫兹，器件特征尺寸（FET器件沟道尺寸、HBT器件纵向结构尺寸）缩小到纳米尺度后，器件短沟效应、量子效应、强场效应的影响日趋严重，严重地制约器件性能的提高，如在HEMT器件中，沟道中的电场不断增加，强场下器件短沟效应、量子隧穿效应恶化器件性能，而载流子微观统计引起的涨落等量子效应现象对器件性能的影响有待于进一步深入研究；在HBT器件中，随电流密度的提高，可动载流子会对集电极的电场产生屏蔽作用，使载流子的运动速度降低，使高频特性在高电流下退化；这些宏观特性与化合物半导体器件在超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律密切相关。因此，充分理解和挖掘器件在超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律是实现新原理、高性能化合物器件的关键问题。

在超高频、超强尝纳米尺度下，主导器件工作的基本原理将逐渐由经典物理过渡到量子力学。通过深入研究纳米尺度下化合物半导体器件非平衡载流子输运理论，理解影响超高频器件速度的关键因素究竟是载流子的饱和速度还是速度过冲以及制约载流子输运速度的因素是什么，这一问题的解决将为太赫兹新器件提供理论指导和依据，使新器件的创新乃至突破有据可依；深入研究异质结构量子隧穿效应、载流子的弹道输运及微观统计引起的涨落等现