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

不断发展的趋势。

SiC材料具有大的禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿电场强度、高热导率、低介电常数和抗辐射能力强等优良的物理化学特性和电学特性，在高温、大功率、抗辐射等应用场合是理想的半导体材料之一。从现有的研究结果来看，SiC电力电子器件的频率高、开关损耗小、效率高。美国和日本的半导体公司纷纷投入巨资进行SiC电力电子器件的研发。Cree公司的SiCSBD的开关频率从150kHz提高到500kHz，开关损耗极小，适用于频率极高的电源产品，如电信部门的高档PC及服务器电源；开发10kV/50A的PiN二极管和10kV的SiCMOSFET的市场目标是10kV与110A的模块，可用于海军舰艇的电气设备、效率更高和切换更快的电网系统，以及电力设备的变换器件，其SiCMOSFET更关注于混合燃料电动车辆的电源与太阳能模块。此外，日本半导体厂商也陆续投入SiCIC量产，FujiElectricHoldings评估在子公司松本工厂生产SiC半导体器件，该公司预计2011年度开始量产；三菱电机预计2011年度在福冈制作所设置采用4寸晶圆之试产线，投入量产，产能为每月3千片。Toshiba则以2013年正式投产为目标，在川崎市的研发基地导入试产线，将运用于自家生产的铁路相关设备上。充分挖掘SiC材料的优势，开发新的工艺，实现高效的电力电子器件将是今后发展的重点和研究的热点。

（二）高迁移率化合物半导体材料：延展摩尔定律的新动力

在过去的四十多年中，以硅CMOS技术为基础的集成电路技术遵循"摩尔定律"通过缩小器件的特征尺寸来提高芯片的工作速度、增加集成度以及降低成本，集成电路的特征尺寸由微米尺度进化到纳米尺度，取得了巨大的经济效益与科学技术的重大进步，被誉为人类历史上发展最快的技术之一。然而，随着集成电路技术发展到22纳米技术节点及以下时，硅集成电路技术在速度、功耗、集成度、可靠性等方面将受到一系列基本物理问题和工艺技术问题的限制，并且昂贵的生产线建设和制造成本使集成电路产业面临巨大的投资风险，传统的硅CMOS技术采用"缩小尺寸"来实现更小、更快、更廉价的逻辑与存储器件的发展模式已经难以持续。因此，ITRS清楚地指出，"后22纳米"CMOS技术将采用全新的材料体系、器件结构和集成技术，集成电路技术将在"后22纳米"时代面临重大技术跨越及转型。

III-V族化合物半导体（尤其是GaAs、InP、InAs、InSb等化合物半导体）的电子迁移率大约是硅的4-60倍，在低场和强场下具有优异的电子输运性能，并且可以灵活地应用异质结能带工程和杂质工程同时对器件的性能进行裁剪，被誉为新一代MOS器件的理想沟道材料。为了应对集成电路技术所面临的严峻挑战,采用与硅工艺兼容的高迁移率III-V族化合物半导体材料替代应变硅沟道，以大幅度提高逻辑电路的开关速度并实现极低功耗工作的研究已经发展成为近期全球微电子领域的前沿和热点。美国、欧洲、日本等各主要发达国家都在加大相关研究的投入力度，各半导体公司如Intel、IBM、TSMC、Freescale等都在投入相当的人力和物力开展高迁移率CMOS技术的研究，力图在新一轮的技术竞争中再次引领全球集成电路产业的发展。2008年，欧盟委员会投资1500万欧元（约合1.4亿人民币）开展"DUALLOGIC"项目研究，以欧洲微电子研究中心（IMEC）为研发平台，联合IBM、AIXTRON、意法半导体（STMicroelectronics）、恩智浦半导体（NXPSemiconductor）等9家单位，对高迁移率III-V族化合物半导体材料应用于"后22纳米"高性能CMOS逻辑电路进行技术攻关，被誉为欧盟CMOS研究的"旗舰"项目。

在Intel、IBM等国际著名半导体公司的大力推动下，高迁移率III-VMOS器件的研究取得了一系列突破性进展：（1）与同等技术水平的硅基NMOS技术相比，高迁移率III-VNMOS技术具有显著的速度优势（速度提高3-4倍）、超低的工作电压（0.5V电源电压）和极低的功耗（动态功耗降低一个数量级）；（2）与新兴的分子、量子器件相比（例如有机分子器件、碳基纳米器件），III-V族化合物半导体材料已广泛应用于微波电子与光电子器件领域，人们对其材料属性与器件物理的了解十分深入，其制造技术与主流硅工艺的兼容性好；（3）III-V族化合物半导体是光发射与接收的理想材料，这将为极大规模集成电路（ULSI）中光互连技术以及集成光电子系统的发展带来新的契机。

鉴于高迁移率CMOS技术的重大应用前景，采用高迁移率III-V族半导体材料替代应变硅沟道实现高性能CMOS的研究已经发展成为近期微电子领域的研究重点，2009年至2011年的国际电子器件会议（IEDM）每年有超过10篇高迁移率III-VMOS器件的研究论文。近年来，