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

象，采用MonteCarlo等模拟方法研究纳米尺度、飞秒量级下载流子输运规律，建立一套能够描述超高频、纳米尺度化合物半导体器件的物理模型；深入研究超强场（热尝电场）下异质结构非平衡态条件下2DEG的输运行为，通过改变磁场强度、温度、栅压、光辐照等动态调制，揭示子带结构、子带占据和各种散射机制在非平衡态下、以及从非平衡态到平衡态转变过程中的变化规律，了解影响2DEG输运特性的各种物理过程。深入研究化合物半导体材料表面态、缺陷、极化效应等对载流子输运、散射、捕获及能态跃迁等机理的影响，指导高性能材料生长和器件研制。

4.化合物半导体器件与集成技术中电、磁、热传输机理与耦合机制

随着电路和系统工作频率的提高，特别是进入毫米波（30-300GHz）波段，电磁波波长与器件和系统的几何尺寸已经可以比拟，电磁波在传输过程中的相位滞后、趋肤效应、辐射效应等都不能忽略，相应的集成电路与系统的电特性分析与设计的基础是电磁场理论和传输线理论。信号传输采用微带线和共面波导形式，一方面其电磁场传播模式是具有色散效应的准TEM波，另一方面在复杂多通道的电路和系统中存在有通道间耦合，这些都将导致产生信号的畸变、信号间串扰等信号完整性问题。同时，由于集成度和功率的提高，电磁耦合和电磁辐射导致的电磁兼容性问题也愈加突出，已成为系统性能进一步提高的制约性因素。电路与系统间的热场分布与电磁场分布通过材料与结构的电特性和物理特性相互关联、相互作用，使得电路与系统的电性能和可靠性受到热效应的严重影响。

在化合物半导体器件与集成技术中，主导信号传输的基本原理将逐渐由电路理论延伸到电路、电磁场、热场一体化理论。通过深入研究电路和系统中电磁场、热场的传输机理与耦合机制，从电磁场理论出发，建立电磁热分析模型，利用电路和网络理论，研究电磁场量与热场量之间的关系，研究电路与系统中的电磁场-热场的广义网络分析方法，为电路和系统设计奠定理论基础。采用三维电磁场仿真结合电路网络理论，深入研究超高频数模电路的信号延时、畸变、失配、串扰、电磁泄漏与辐射、芯片混合集成的干扰和匹配等信号完整性问题和系统的电磁兼容问题，认识与理解这些问题产生的根源、机理和表现规律，为电路和系统设计优化奠定技术基础。

三、化合物半导体的未来趋势

化合物半导体材料和器件经过半个世纪的发展，特别是近二十年的突飞猛进，通过发挥化合物半导体材料的优良特性，在高频、大功率、高效率等方面与硅基集成电路形成互补，已经广泛地应用于信息社会的各个领域，如无线通信、电力电子、光纤通信、国防科技等等。近几年，随着材料生长、器件工艺、电路集成等技术不断发展，以及新结构、新原理等不断突破，化合物半导体领域未来发展趋势呈现四个主要方向：

（一）充分挖掘材料的优势，引领信息器件频率、功率、效率的发展方向

作为第二代化合物半导体GaAs，自出现以后引起了极大的重视，在光电子和微电子技术方面得到了飞速的发展。鉴于其迁移率远高于第一代半导体，且异质结构可以进行能带剪裁，使其在微电子领域倍受重视。美国上世纪80年代中期启动了MIMIC计划，充分挖掘GaAs材料在微电子领域的应用，经过多年的研究，GaAs材料在集成电路的应用方面，特别是射频和微波领域，获得了极大的成功，广泛地应用于各种军用和民用系统之中。随着InP材料的成熟和发展，其丰富的异质结构和极高的载流子迁移率，使其在更高频率领域的应用不断推进和发展。美国的MAFET计划，利用InP材料丰富的材料特性和极高的迁移率，将MMIC电路的频率推进到100GHz以上。其后实施的TFAST计划，则将InP材料应用在超高速电路领域，到项目结束时InP基数字电路的工作频率提高到10GHz以上，MMIC电路的频率突破300GHz，显示了InP材料在高频领域应用的优势。受此鼓舞，美国启动了THz电子学研究计划，计划充分挖掘InP基材料在高频领域的优势，将电路的工作频率推进到太赫兹领域。在今后相当长的一段时间里，具有优异特性的InP基材料和电路将成为研究的热点。

GaN和SiC作为第三代半导体材料，具有非常高的禁带宽度和功率处理能力，在功率半导体领域发挥了非常重要的作用。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。采用GaN基异质材料和极化效应，可以得到非常高的载流子面密度，提高器件的功率密度。充分挖掘GaN材料的特性，现有的GaN微波电路的工作频率已经进入到W波段，其功率密度远远超过其他半导体材料，并有向更高频率