一、引言

化合物半導(dǎo)體具有飽和速度高、能帶易剪裁、帶隙寬等特性，在超高頻、大功率、高效率等方面表現(xiàn)出優(yōu)越的性能，因此，化合物半導(dǎo)體電子器件已經(jīng)成為發(fā)展信息大容量傳輸和高速處理、獲取的重要器件。以砷化鎵（GaAs）為代表的第二代半導(dǎo)體技術(shù)日趨成熟，已廣泛地應(yīng)用于無線通信、光電通信等領(lǐng)域，成為目前高端信息通信領(lǐng)域的主流；繼硅（Si）之后，GaAs、磷化銦（InP）和第三代半導(dǎo)體（寬禁帶半導(dǎo)體）的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）材料和器件成為目前國際上研究的熱點(diǎn)。InP材料具有電子遷移率高和飽和漂移速率大的特點(diǎn)，是實現(xiàn)毫米波電路和太赫茲電子器件的主要選擇；GaN作為第三代寬禁帶化合物半導(dǎo)體，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上，成為大功率固態(tài)微波器件發(fā)展的最佳選擇。SiC電力電子器件由于頻率高、開關(guān)損耗小、效率高等優(yōu)良特性，成為綠色能源發(fā)展的必然趨勢。

化合物半導(dǎo)體材料和器件經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，特別是近二十年的突飛猛進(jìn)，通過發(fā)揮化合物半導(dǎo)體材料的優(yōu)良特性，在高頻、大功率、高效率等方面與硅基集成電路形成互補(bǔ)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于信息社會的各個領(lǐng)域，如無線通信、電力電子、光纖通信、國防科技等等。近幾年，隨著材料生長、器件工藝、電路集成等技術(shù)不斷發(fā)展，以及新結(jié)構(gòu)、新原理等不斷突破，化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢呈現(xiàn)四個主要方向：1）充分挖掘材料的優(yōu)勢，引領(lǐng)信息器件頻率、功率、效率的發(fā)展方向；2）高遷移率化合物半導(dǎo)體材料：延展摩爾定律的新動力；3）與硅基材料和技術(shù)融合，支撐信息科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新突破；4）SiC電力電子器件異軍突起，引領(lǐng)綠色微電子發(fā)展。

針對上述化合物半導(dǎo)體材料和器件的發(fā)展趨勢，如何充分發(fā)揮化合物半導(dǎo)體器件在超高頻、大功率、高效率等方面的優(yōu)勢，解決信息大容量傳輸和高速處理、獲取的難題，依然存在如下關(guān)鍵問題：1）化合物半導(dǎo)體材料原子級調(diào)控與生長動力學(xué)研究，它是實現(xiàn)低缺陷、高性能化合物材料的關(guān)鍵。2）大尺寸、大失配硅基化合物半導(dǎo)體材料生長，這是未來化合物半導(dǎo)體跨越式發(fā)展的核心。3）超高頻、超強(qiáng)場、納米尺度下載流子輸運(yùn)機(jī)理與行為規(guī)律，是探索新原理、高性能化合物器件的基礎(chǔ)。4）化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)中電、磁、熱傳輸機(jī)理與耦合機(jī)制，是實現(xiàn)化合物半導(dǎo)體器件研究到電路應(yīng)用的紐帶。

二、化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

（一）化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域研究背景

二十一世紀(jì)是通信和網(wǎng)絡(luò)的時代。隨著通信容量的爆炸性增長，作為未來主要的通信手段，光纖通信和移動通信的工作頻率越來越高，這對通信系統(tǒng)中的核心器件及關(guān)鍵電路的性能（頻率、功率及噪聲等）提出了越來越高的要求。光纖通信主要采用2.5Gb/s和10Gb/s的密集波分復(fù)用技術(shù)，隨著信息傳輸容量的飛速增長，提高單個信道的傳輸速度已經(jīng)成為降低信息傳輸成本的必然途徑。目前國際上40Gb/s、100Gb/s、160Gb/s的TDM傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在實驗室研制成功，預(yù)計在未來5-10年將會逐漸進(jìn)入市場；在移動通信方面，隨著第三代移動通信的普及和第四代手機(jī)的研發(fā)，手機(jī)芯片已開始向更多頻帶、更大帶寬、更高集成度方向發(fā)展；衛(wèi)星通信的頻率則更高，民用衛(wèi)星通信也已進(jìn)入C波段（4-8GHz）和Ku波段（12.4-18GHz）；在物聯(lián)網(wǎng)的無線互連方面，要求功率附加效率高、信道噪聲低的無線收發(fā)模塊；毫米波（30-300GHz）通信、雷達(dá)與成像在軍事領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用也很活躍。總之，更高的工作頻率、更快的傳輸速度、更遠(yuǎn)的無線連接距離、更快的信息處理能力代表了21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

（二）化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，化合物半導(dǎo)體由于其優(yōu)異的物、化以及電學(xué)特性，異軍突起，基于GaAs、InP、GaN、SiC等半導(dǎo)體材料的核心芯片以其高性能、多功能、集成化的優(yōu)勢在各類信息系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體技術(shù)日趨成熟，已廣泛地應(yīng)用于無線通信、光電通信等領(lǐng)域，成為目前高端信息通信領(lǐng)域的主流。但是在星用高可靠技術(shù)、以及基于E/D工藝的多功能集成技術(shù)等方面尚有許多應(yīng)用有待拓展。而InP技術(shù)隨著應(yīng)用領(lǐng)域不同向著高工作頻率（毫米波、THz）和超高速（DDS時鐘速率大于>30GHz）發(fā)展，對InP基HEMT和HBT技術(shù)提出了迫切需求。InP器件截至頻率達(dá)到766GHz，UCSB開發(fā)出324GHzMMIC，3mmInPHEMT器件輸出功率大于25dBm，BAE公司研制出了工作頻率達(dá)24GHz的InPDDS，其中相位累加器為12比特，整個電路共集成了4470個單管。InP技術(shù)已經(jīng)成為高頻、高速、混合信號技術(shù)的主流趨勢。

而新興的以GaN、SiC為代表的第三代半導(dǎo)體（寬禁帶半導(dǎo)體）技術(shù)近年來突飛猛進(jìn)。GaN由于其更高的擊穿電壓和飽和遷移率，具有更高的輸出功率，功率密度達(dá)到GaAs的10倍；而寬禁帶半導(dǎo)體的工作電壓達(dá)到30～100V甚至更高，可有效提高系統(tǒng)效率。而SiC襯底擁有極好的熱傳導(dǎo)性，可以在200℃以上的高溫環(huán)境下工作。目前，SiC單晶襯底尺寸由3英寸向4英寸發(fā)展，并正在開發(fā)硅等低成本襯底的GaN，應(yīng)用于移動通訊；美國TriQuint公司研制的SiC基GaNHEMT器件，輸出功率100W，效率大于55％，微波可靠性不斷提升，GaN器件平均無故障時間超過1E7小時。SiC電力電子器件已開發(fā)出10kV110A（兆瓦級）模塊，SiCMOSFET、IGBT等新結(jié)構(gòu)器件不斷涌現(xiàn)，在直流輸變電、電驅(qū)動等新型系統(tǒng)中有迫切需求。隨著材料和工藝的穩(wěn)定，在美國寬禁帶半導(dǎo)體目前已出現(xiàn)代工線，可以面向美國國內(nèi)開放服務(wù)。寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)已成為未來大功率技術(shù)的必然發(fā)展趨勢，將在雷達(dá)探測、通訊、電子對抗、動力系統(tǒng)等各類信息系統(tǒng)中發(fā)揮革命性作用。下面，將從材料類型不同角度對GaAs、InP、GaN、SiC、其他材料的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1．GaAs材料和器件發(fā)展現(xiàn)狀

以GaAs為代表的化合物半導(dǎo)體器件在高頻、高速、高帶寬以及微波毫米波集成電路中具有明顯的優(yōu)勢，國際上的化合物半導(dǎo)體材料與器件的研究已經(jīng)成為一大持續(xù)升溫的熱點(diǎn)領(lǐng)域。化合物半導(dǎo)體高頻器件與電路是實現(xiàn)高速光纖通信系統(tǒng)、高頻移動通信系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵部件。并且在新興的汽車防撞系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及軍用微波/毫米波雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著今后通信系統(tǒng)頻率的不斷提高，它的優(yōu)勢會更加突出，將會形成巨大的市場需求與經(jīng)濟(jì)效益。更為重要的是，隨著微電子技術(shù)發(fā)展到22納米節(jié)點(diǎn)后，硅基集成電路正面臨來自物理與技術(shù)的雙重挑戰(zhàn)，采用高遷移率化合物半導(dǎo)體來替代硅材料延展摩爾定律已經(jīng)成為近期微電子前沿領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，化合物半導(dǎo)體將在微電子領(lǐng)域引發(fā)一場意義深遠(yuǎn)的技術(shù)革命。

目前，以砷化鎵（GaAs）為代表的化合物半導(dǎo)體高頻器件及電路技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了成熟期，已被大量應(yīng)用于高頻通信領(lǐng)域，尤其是移動通信和光纖通信領(lǐng)域，到2009年其市場規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了45億美元。隨著GaAsIC制造成本的大幅度下降，它們在功率放大器、低噪聲放大器和射頻開關(guān)電路在移動通信RF前端占據(jù)了主要地位，手機(jī)與移動基站的芯片是GaAsIC最大的市場，約占其市場份額的45%左右；隨著DWDM驅(qū)動光纖通信容量的增加，GaAsIC在SONET芯片方面的需求大幅度增加，其市場份額大約為22%。工業(yè)、汽車、計算機(jī)和軍事市場占據(jù)了GaAsIC市場的34％，工業(yè)市場主要是高頻高速測試系統(tǒng)，計算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)速度已經(jīng)達(dá)到Gb/s，需要大量LAN和WAN。汽車應(yīng)用主要是防撞雷達(dá)的使用。而軍事應(yīng)用保持在４億美元／每年左右。目前，國際上生產(chǎn)民用GaAs器件及電路的代表性企業(yè)有美國的VITESSE、TRIQUINT、ANADIGICS、MOTONOLA、LUCENT、ALPHA、AGILENT、HP；日本的NTT、Oki、Fujisu；德國的西門子；臺灣的穩(wěn)懋、宏捷、全球聯(lián)合通訊以及尚達(dá)等。大量事實已證明：砷化鎵器件及電路是一項技術(shù)含量高、利潤率高，市場前景和經(jīng)濟(jì)效益不可低估的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。正因為目前市場需求強(qiáng)勁，今后發(fā)展前景看好，近年來國際上許多公司紛紛上馬新的GaAs制造線。尤其是美、日、德等國的大公司（例如：Vitesse、Anadigics、Siemens、Triquint、Motorola、Alpha等公司）相繼建成或正在新建6英寸GaAs生產(chǎn)線，今年這些公司都將由4英寸轉(zhuǎn)入6英寸大規(guī)模生產(chǎn)。他們生產(chǎn)的主要產(chǎn)品是移動通信射頻電路（如GaAs手機(jī)功率放大器和低噪聲放大器電路等）以及光纖通信發(fā)射和接收電路（如GaAs激光驅(qū)動器、接收器、復(fù)用器及解復(fù)用器、時鐘恢復(fù)電路等）、微波功率晶體管及功率放大器等各種系列的產(chǎn)品。

我國GaAs材料和器件的研究起步較早，早在1970年就開始低噪聲GaAsMESFET的研究工作，并于1978年設(shè)計定型了國內(nèi)第一只砷化稼微波低噪聲場效應(yīng)管，1974年開始研究砷化稼功率器件，在1980年國內(nèi)首次定型砷化稼微波功率場效應(yīng)管。進(jìn)入改革開放后，由于受到國外成熟產(chǎn)品的沖擊，GaAs器件和電路的研究特別是民用器件的研究進(jìn)入低谷期，重點(diǎn)開展軍用GaAs器件和電路的研制和攻關(guān)。2004年后，GaAs材料和器件進(jìn)入高速發(fā)展期，國內(nèi)成立了以中科稼英公司、中科圣可佳公司為代表多家GaAs單晶和外延材料公司，開始小批量材料供應(yīng)，并取得一定的市場份額。中科院微電子所通過自主創(chuàng)新率先在國內(nèi)建立了4英寸GaAs工藝線，并成功地研制出10Gb/s激光調(diào)制器芯片等系列電路。傳統(tǒng)的器件研制單位中電集團(tuán)13所和55所通過技術(shù)引進(jìn)完成2英寸到4英寸工藝突破，初步解決Ku波段以下的器件和電路的國產(chǎn)化問題，其中8-12GHzT/R組件套片已成功地應(yīng)用大型系統(tǒng)中，但在成品率、一致性、性價比等方面尚存在一定的差距，在民品市場中尚缺乏競爭力。Ka波段以上的GaAs器件和電路尚沒有產(chǎn)品推出，嚴(yán)重地制約了我國信息化建設(shè)。

目前，GaAs電路芯片由多家美、日、德等國的大公司（例如：Vitesse、Anadigics、Siemens、Triquint、Motorola、Alpha、HP、Oki、NTT等公司）供應(yīng)，國內(nèi)手機(jī)和光纖通信生產(chǎn)廠家他們對元器件受國外制約甚為擔(dān)憂，迫切希望國內(nèi)有能提供穩(wěn)定供貨的廠家。由于GaAsIC產(chǎn)品尚未達(dá)到壟斷的地步，隨著國家對高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)扶持政策的出臺，這正是發(fā)展GaAs電路產(chǎn)業(yè)化的絕好的市場機(jī)會。只要我們能形成一定的規(guī)模生產(chǎn)，開發(fā)生產(chǎn)一系列高質(zhì)量高性能的電路，完全有可能占領(lǐng)大部國內(nèi)市場，并可進(jìn)入國際市場競爭。

2．InP材料和器件國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

InP基半導(dǎo)體材料是以InP單晶為襯底而生長的化合物半導(dǎo)體材料，包括InGaAs、InAlAs、InGaAsP以及GaAsSb等材料。這些材料突出的特點(diǎn)是材料的載流子遷移率高、種類非常豐富、帶隙從0.7到將近2.0eV、有利于進(jìn)行能帶剪裁。InP基器件具有高頻、低噪聲、高效率、抗輻照等特點(diǎn)，成為W波段以及更高頻率毫米波電路的首選材料。InP基三端電子器件主要有InP基異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）和高電子遷移率晶體管（HEMT）。衡量器件的頻率特性有兩個指標(biāo)：增益截止頻率（fT）和功率截止頻率（fmax）。這兩個指標(biāo)決定了電路所能達(dá)到的工作頻率。InP基HBT材料選用較寬帶隙的InP材料作為發(fā)射極、較窄帶隙的InGaAs材料作為基極、集電極的材料根據(jù)擊穿電壓的要求不同可以采用InGaAs材料或InP材料，前者稱為單異質(zhì)結(jié)HBT，后者稱為雙異質(zhì)結(jié)HBT，且后者具有較高的擊穿電壓。InP基HEMT采用InGaAs作為溝道材料、InAlAs作為勢壘層，這種結(jié)構(gòu)的載流子遷移率可達(dá)10000cm2/Vs以上。

以美國為首的發(fā)達(dá)國家非常重視對InP基器件和電路的研究。從上世紀(jì)九十年代起，美國對InP基電子器件的大力支持，研究W波段及更高工作頻率的毫米波電路以適應(yīng)系統(tǒng)不斷提高的頻率要求。最先獲得突破的是InP基HEMT器件和單片集成電路（MMIC）。在解決了提高溝道遷移率、T型柵工藝、歐姆接觸以及增加?xùn)趴靥匦缘汝P(guān)鍵問題后，2002年研制成功柵長為25nm的HEMT器件，fT達(dá)到562GHz，通過引入InAs/InGaAs應(yīng)變溝道，實現(xiàn)柵長為35nm器件的fmax達(dá)到1.2THz。InP基HEMT器件在噪聲和功率密度方面都具有優(yōu)勢：MMIC低噪聲放大器（LNA）在94GHz下的噪聲系數(shù)僅為2.5dB、增益達(dá)到19.4dB；PA的功率達(dá)到427mW、增益達(dá)到10dB以上。美國的NorthropGrumman公司形成了一系列W波段MMIC產(chǎn)品。采用截止頻率達(dá)到THz的InP基HEMT器件，也已經(jīng)研制成功大于300GHz的VCO、LNA和PA系列MMIC，并經(jīng)過系統(tǒng)的演示驗證。

InP基HBT的突破是在本世紀(jì)初，美國加州大學(xué)圣巴巴拉分校的M.Rodwell領(lǐng)導(dǎo)的研究組率先將InP基HBT的fT和fmax提高到200GHz以上。其后采用采用轉(zhuǎn)移襯底技術(shù)實現(xiàn)的HBT，fT為204GHz，fmax超過1000GHz；2007年，Illinois大學(xué)制作成功發(fā)射極寬度為250nm的SHBT，其fT超過800GHz，fmax大于300GHz；為了解決SHBT中擊穿電壓低的問題，2008年UCSB設(shè)計實現(xiàn)了無導(dǎo)帶尖峰的雙異質(zhì)結(jié)HBT（DHBT），fT突破500GHz，fmax接近800GHz，擊穿電壓大于4V；采用GaAsSb基極，與發(fā)射極和集電極的InP材料形成II-型能帶結(jié)構(gòu)的InPDHBT的fT大于600GHz，并具有很好的擊穿特性。在器件突破的同時，國外的InP基單片集成功率放大器（PA）、和壓控振蕩器（VCO）的工作頻率都被推進(jìn)到300GHz以上。據(jù)報道，國外3毫米波段（100GHz）的系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實用化階段，頻率高達(dá)300GHz的演示系統(tǒng)也已出現(xiàn)。

我國InP基材料、器件和電路的研究起步較晚，近些年取得了長足的進(jìn)步。在InP單晶方面，國內(nèi)擁有20多年研究InP單晶生長技術(shù)和晶體襯底制備技術(shù)的經(jīng)驗和技術(shù)積累，已經(jīng)實現(xiàn)了2和3英寸的InP單晶拋光襯底開盒即用，其位錯密度等方面與國外襯底材料相當(dāng)，近年來一直為國內(nèi)外用戶批量提供高質(zhì)量2和3英寸InP單晶襯底；在外延材料方面，中科院在InP襯底上實現(xiàn)了InP基HBT和HEMT器件結(jié)構(gòu)，并突破了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的HBT材料的生長，實現(xiàn)了高質(zhì)量的InP基HBT外延材料，生長的InP基HEMT外延材料的載流子遷移率大于10000cm2/Vs，并已實現(xiàn)了向器件研制單位小批量供片；在器件研制方面，2004年前主要開展InP基光電器件的研制，如肖特基二極管、光電探測器等。2004年隨著973項目“新一代化合物半導(dǎo)體電子材料和器件基礎(chǔ)研究”的啟動，InP基電子器件和電路的研究才逐漸得以重視，目前中科院和中電集團(tuán)先后在3英寸InP晶圓上實現(xiàn)了亞微米發(fā)射極寬度的InP基HBT和亞100nmT型柵的InP基HEMT器件，截止頻率超過300GHz。在毫米波電路的研究方面，中科院和中電集團(tuán)已成功地研制出W波段的低噪聲放大器、功率放大器和VCO樣品；此外采用InPDHBT工藝實現(xiàn)了40GHz分頻器、比較器和W波段的倍頻器、混頻器等系列芯片，為W波段系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3．GaN材料和器件發(fā)展現(xiàn)狀

氮化鎵（GaN）作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上。由于其高頻率、高功率、高效率、耐高溫、抗輻射等優(yōu)異特性，可以廣泛應(yīng)用于微波毫米波頻段的尖端軍事裝備和民用通信基站等領(lǐng)域，因此成為全球新一代固態(tài)微波功率器件與材料研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，有著巨大的發(fā)展前景。

GaN基HEMT結(jié)構(gòu)材料和器件是當(dāng)前國際上及其重視的研究方向。以美國為首的西方國家都將GaN基微波功率器件視為下一代通訊系統(tǒng)和武器應(yīng)用的關(guān)鍵電子元器件，并設(shè)立專項研究計劃進(jìn)行相關(guān)研究，如美國國防先期研究計劃局（DARPA）的寬禁帶半導(dǎo)體計劃“WBGS”，提出了從材料、器件到集成電路三階段的研究計劃，并組織三個團(tuán)隊在X波段、寬帶和毫米波段對GaN基HEMT及其微波單片集成電路（MMIC）進(jìn)行攻關(guān)。在寬禁帶半導(dǎo)體計劃取得重要進(jìn)展的基礎(chǔ)上，美國DARPA在2009年又啟動了面向更高頻率器件的NEXT項目，預(yù)計4－5年內(nèi)將器件的頻率提高到500GHz。目前，在GaN基微電子材料及器件研究領(lǐng)域，美國和日本的研究處于世界領(lǐng)先水平，美國主要研究機(jī)構(gòu)有UCSB大學(xué)、Cree公司、APA公司、Nitronex公司、Cornell大學(xué)、USC大學(xué)等，日本的主要研究機(jī)構(gòu)有名古屋理工學(xué)院、NEC公司、Fujitsu公司和Oki公司等。2003年，ITRSroadmap中指出：GaN基器件在高偏壓、大功率、大功率密度等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力，是功率器件固態(tài)化的首選。德國夫瑯和費(fèi)固態(tài)物理應(yīng)用學(xué)會也在2005年的年度報告中指出：由于GaN基HEMT器件具有的大動態(tài)范圍和良好的線性，它將成為未來更大功率的基站、雷達(dá)系統(tǒng)使用的功率器件。經(jīng)過近十年的高速發(fā)展和投入，GaN功率器件和電路取得令人矚目的成就，主要在寬帶、效率、高頻三個領(lǐng)域全面超越GaAs器件，成為未來應(yīng)用的主流。在寬帶電路方面，實現(xiàn)了2-18GHz和6-18GHz寬帶GaN微波功率單片電路，連續(xù)波輸出功率達(dá)到了6-10W，功率附加效率為13％-25％；在高效率方面，X波段MMIC輸出功率20W，功率附加效率達(dá)到了52％。X波段內(nèi)匹配功率器件脈沖輸出功率60.3W，功率附加效率高達(dá)43.4％。2011年，Hossein報道了3.5GHz下的功率器件，效率達(dá)到80％。2010年M.Roberg研制的F類功率放大器件，在2.14GHz，輸出功率8.2W，效率達(dá)到84％；在高頻率方面，美國HRL實驗室報道了12路GaNMMIC波導(dǎo)合成的毫米波功率放大器模塊，在95GHz下，輸出功率超過100W的GaNMMICs功放合成模塊；2011年，美國Raytheon公司報道了三款分別針對于高效率、高增益、高輸出功率的毫米波GaNMMIC電路，在95GHz下，最高增益為21dB；在91GHz下，最高PAE大于20％；在91GHz下，最高輸出功率為1.7W。同時，長期困擾GaN功率器件實用化的瓶頸：可靠性問題，隨著材料、工藝和器件結(jié)構(gòu)等技術(shù)水平的提高，已實現(xiàn)了MTTF達(dá)到108小時。2010年，美國Triquint公司宣布推出3英寸GaN功率器件代工線服務(wù)，并發(fā)布了覆蓋2-18GHz的系列器件和電路，這標(biāo)志著GaN產(chǎn)品時代正式到來。

我國GaN功率器件和電路的研究起步較早，材料和器件的研究取得了突破性進(jìn)展：3英寸半絕緣4H-SiC單晶電阻率大于108Ω?cm，微管缺陷密度低于30個／cm2，并實現(xiàn)了小批量供貨；SiC襯底HEMT結(jié)構(gòu)材料的室溫方塊電阻小于270?/?，室溫2DEG遷移率和面密度乘積達(dá)到2.4x1016/Vs，藍(lán)寶石襯底HEMT結(jié)構(gòu)材料的室溫2DEG遷移率大于2180cm2/V.s，室溫2DEG濃度與遷移率的乘積大于2.3?1016/V.s，室溫方塊電阻小于280?/?，達(dá)到國際先進(jìn)水平。在器件和電路方面，國內(nèi)建立了四條GaN功率器件研制線，研制出覆蓋C-Ka波段系列內(nèi)匹配器件和電路。X波段和Ka波段器件輸出功率密度分別達(dá)17W/mm和3W/mm以上；8-12GHzGaNMMIC脈沖輸出功率20W，功率附加效率為32％；15-17GHzGaNMMIC脈沖輸出功率17W，功率附加效率為27％；Ku波段內(nèi)匹配器件脈沖輸出功率20W，功率附加效率大于25％；Ka波段MMIC脈沖輸出功率達(dá)到3W，W波段器件fT大于174GHz、fmax為215GHz。上述器件和電路的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，但在可靠性方面尚存在一定的差距，目前處于樣品階段。2011年，我國重大專項啟動“中國寬禁帶半導(dǎo)體推進(jìn)技術(shù)”，重點(diǎn)開展3英寸GaN器件工藝線建設(shè)和器件可靠性推進(jìn)工程，最終實現(xiàn)“用的上、用的起”GaN功率器件和電路，實現(xiàn)與國際的同步發(fā)展和競爭。

4．SiC材料和器件發(fā)展現(xiàn)狀

二十一世紀(jì)初，美國國防先進(jìn)研究計劃局（DARPA）啟動寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計劃（WBGSTI），極大推動了寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。

在SiC單晶材料方面，主流的SiC晶片是3-4英寸，6英寸SiC晶片將很快進(jìn)入市場。美國Cree公司作為全球SiC晶片行業(yè)的先行者，在2007年就可提供商用無微管缺陷的100mm（4英寸）SiC襯底片；2010年8月展示了其新成果，150mm（6英寸）的SiC襯底片，每平方厘米微管密度小于10個。美國DowCorning公司、II-V公司，日本新日鐵和已被日本羅姆公司收購的德國SiCystal公司等都可提供直徑4英寸的SiC襯底片。日本新日鐵計劃2011年內(nèi)向客戶提供6英寸SiC晶片樣品，預(yù)計2015年前后量產(chǎn)。

在SiC功率器件方面，基于4HSiC材料的肖特基二極管（SBD）系列、JFET，以及MOSFETs晶體管已經(jīng)實現(xiàn)量產(chǎn)，代表的公司主要有美國的Cree、SemiSouth、GE，德國的英飛凌、SiCED，日本的ROHM、三菱、日立、電裝（DENSO）等公司。目前，商業(yè)化的SiC二極管主要是SBD，已經(jīng)系列產(chǎn)品化，阻斷電壓范圍600V~1700V，電流1A~50A。主要生產(chǎn)廠商有：美國Cree（最大額定電流50A，反向阻斷電壓1700V）、美國SemiSouth（最大額定電流30A，反向阻斷電壓1200V）、和德國Infineon（最大額定電流15A，反向阻斷電壓1200V），以及日本Rohm（最大額定電流10A，反向阻斷電壓600V）等公司。商業(yè)化的SiC晶體管包括SemiSouth公司推出的SiCJFET（阻斷電壓為1200V和1700V，電流為3A~30A）以及TranSiC公司推出的BJT器件（阻斷電壓為1200V和1700V，電流從6A~20A）。另外，美國Cree公司、日本Rohm公司已經(jīng)可以量產(chǎn)600~1200VSiCDMOS，并開始提供功率模塊樣品。

SiC肖特基二極管的應(yīng)用可大幅降低開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率，廣泛用于如空調(diào)、數(shù)碼產(chǎn)品DC、DV、MP4、PC、工業(yè)控制服務(wù)器等領(lǐng)域。在航空航天等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，SiC器件的應(yīng)用能夠有效減小系統(tǒng)的體積，同時具有優(yōu)異的抗輻射性能。SiC電力電子器件市場從2010年開始擴(kuò)展，可望出現(xiàn)60~70%以上的年增長率，并在2015年達(dá)到8億美元的市場規(guī)模。其中，占主要市場份額的SiC電力電子器件形式和應(yīng)用領(lǐng)域依次為混合動力車專用MOSFET、SBD器件和功率因數(shù)校正電路用SBD器件。

寬禁帶半導(dǎo)體SiC材料除了用于制作高頻和功率器件外，滿足軍事、航天應(yīng)用中高溫、高腐蝕環(huán)境需求的功率器件、抗輻照器件、氣體傳感器、高溫傳感器等也是SiC器件發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。

（三）關(guān)注化合物半導(dǎo)體的一些難題

在信息社會，人們對信息大容量傳輸和高速處理、獲取的提出越來越高的要求，使得微電子科學(xué)與技術(shù)面臨許多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何充分發(fā)揮化合物半導(dǎo)體器件在超高頻、大功率方面的優(yōu)勢，從而實現(xiàn)微電子器件和集成電路從吉赫茲到太赫茲的跨越，解決信息大容量傳輸和高速處理、獲取的難題，依然存在若干關(guān)鍵問題：

1．化合物半導(dǎo)體材料原子級調(diào)控與生長動力學(xué)

化合物半導(dǎo)體材料與Si材料最大的區(qū)別在于化合物半導(dǎo)體是由二元、三元、四元系材料組成。結(jié)構(gòu)材料是借助先進(jìn)的MBE和MOCVD設(shè)備來實現(xiàn)的，原子級調(diào)控是利用不同種類的原子在外延過程中的結(jié)合能、遷移率等的不同，借助高溫襯底提供的激活能，控制原子占據(jù)不同的晶格位置，在表面上遷移并結(jié)晶的動力學(xué)過程，使外延材料呈現(xiàn)出多樣的晶體結(jié)構(gòu)和物理特性，如不同原子層形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生量子限制效應(yīng)、不同大小原子構(gòu)成應(yīng)變材料產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)和局域化效應(yīng)以及同種原子占據(jù)不同的晶格位置產(chǎn)生不同的摻雜類型等。利用原子級調(diào)控實現(xiàn)材料的量子限制效應(yīng)、極化效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)、局域化效應(yīng)和摻雜效應(yīng)完成能帶剪裁和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計。如在傳統(tǒng)AlGaN/GaNHEMT材料異質(zhì)結(jié)界面插入2～3個原子層厚的AlN，可以改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，更好地限制二維電子氣，并顯著降低對載流子的合金散射，提高材料中二維電子氣的輸運(yùn)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對新材料、新結(jié)構(gòu)設(shè)計的理論指導(dǎo)。因此，通過對化合物半導(dǎo)體原子級調(diào)控和生長動力學(xué)的研究是實現(xiàn)低缺陷、高性能化合物材料的關(guān)鍵問題。

通過深入研究化合物半導(dǎo)體材料原子的排列導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化，利用量子效應(yīng)、極化效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)、能帶工程設(shè)計化合物半導(dǎo)體的材料結(jié)構(gòu)，減小載流子的有效質(zhì)量，為實現(xiàn)超高頻、太赫茲和毫米波大功率器件的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計提供理論指導(dǎo)；深入開展材料結(jié)構(gòu)與器件宏觀性能的關(guān)聯(lián)性研究，通過材料結(jié)構(gòu)設(shè)計提高二維電子氣濃度和遷移率、減少導(dǎo)帶尖峰、抑制電流崩塌和短溝效應(yīng)，提高器件的性能；深入研究化合物半導(dǎo)體表面再構(gòu)形成的機(jī)理，考慮半導(dǎo)體的表面能帶彎曲對生長過程中原子的運(yùn)動、結(jié)合機(jī)制影響，建立包含固相、氣相和表面相的熱力學(xué)模型，形成完善生長理論，解決同質(zhì)和異質(zhì)界面生長的動力學(xué)問題；深入研究應(yīng)力場中原子運(yùn)動和結(jié)合機(jī)制，掌握缺陷的形成、增殖和運(yùn)動機(jī)制，解決大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長、以及應(yīng)力場中的高摻雜問題。

2．大尺寸、大失配硅基化合物半導(dǎo)體材料生長

硅基上實現(xiàn)高性能的化合物半導(dǎo)體材料一直是研究人員和工業(yè)界追求的目標(biāo)，一方面，該技術(shù)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與化合物材料的結(jié)合實現(xiàn)多功能器件和電路的融合，如光電一體、高壓低壓一體、數(shù)字微波融合等等，將未來系統(tǒng)設(shè)計帶來巨大的變革。因此，大尺寸、大失配硅基化合物半導(dǎo)體材料生長是未來化合物半導(dǎo)體跨越式發(fā)展的關(guān)鍵。但實現(xiàn)大尺寸、大失配硅基化合物半導(dǎo)體材料生長面臨著諸多挑戰(zhàn)和問題：一是大失配問題，硅襯底與III-V族半導(dǎo)體材料之間存在三種主要“失配”，即晶格常數(shù)失配、熱膨脹系數(shù)失配、晶體結(jié)構(gòu)失配。晶格常數(shù)失配在異質(zhì)外延過程中將引入大量的位錯與缺陷；熱膨脹系數(shù)差異將導(dǎo)致熱失配，在高溫生長后的降溫過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而使外延層的缺陷密度增加甚至產(chǎn)生裂紋；晶體結(jié)構(gòu)失配往往導(dǎo)致反向疇問題。二是極性問題，由于Si原子間形成的健是純共價鍵屬非極性半導(dǎo)體，而III-V族半導(dǎo)體材料（如GaN）原子間是極性鍵屬極性半導(dǎo)體。對于極性/非極性異質(zhì)結(jié)界面有許多物理性質(zhì)不同于傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)器件，所以界面原子、電子結(jié)構(gòu)、晶格失配、界面電荷和偶極矩、帶階、輸運(yùn)特性等都會有很大的不同，這也是研究Si襯底III-V材料和器件所必須認(rèn)識到的問題；三是硅襯底上Si原子的擴(kuò)散，在高溫生長過程中Si原子的擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致外延層中會含有一定量的Si原子，這些Si原子易于與生長氣氛中的氨氣發(fā)生反應(yīng)，而在襯底表面形成非晶態(tài)SixNy薄膜，降低外延層的晶體質(zhì)量。

通過研究大失配材料體系外延生長過程中位錯與缺陷的形成機(jī)理與行為規(guī)律，探索外延材料質(zhì)量與生長動力學(xué)之間的內(nèi)在聯(lián)系，研究襯底與外延層之間的介質(zhì)層對初始成核的影響，解決Si與III-V族材料晶體結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的反向籌的問題，優(yōu)化緩沖層技術(shù)與柔性襯底技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料組分、生長條件、生長模式，降低外延層中的位錯和缺陷密度，采用應(yīng)力補(bǔ)償與低溫外延技術(shù)等方式抑制裂紋的形成與擴(kuò)展，借助中斷生長技術(shù)、MEE技術(shù)實現(xiàn)對界面的控制，從而獲得低缺陷密度、高遷移率、穩(wěn)定可靠的硅襯底上III-V族半導(dǎo)體材料。

3．超高頻、超強(qiáng)場、納米尺度下載流子輸運(yùn)機(jī)理與行為規(guī)律

化合物半導(dǎo)體器件由于材料自身特性，如電子遷移率高、二維電子氣濃度高、擊穿場強(qiáng)高、飽和漂移速度大等特點(diǎn)，非常適合于超高頻、大功率器件和電路的研究，特別是在利用化合物半導(dǎo)體實現(xiàn)超高頻CMOS器件、InP基實現(xiàn)太赫茲器件、GaN基實現(xiàn)毫米波大功率等方面極具潛力。但隨著器件頻率從吉赫茲跨越到太赫茲，器件特征尺寸（FET器件溝道尺寸、HBT器件縱向結(jié)構(gòu)尺寸）縮小到納米尺度后，器件短溝效應(yīng)、量子效應(yīng)、強(qiáng)場效應(yīng)的影響日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重地制約器件性能的提高，如在HEMT器件中，溝道中的電場不斷增加，強(qiáng)場下器件短溝效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)惡化器件性能，而載流子微觀統(tǒng)計引起的漲落等量子效應(yīng)現(xiàn)象對器件性能的影響有待于進(jìn)一步深入研究；在HBT器件中，隨電流密度的提高，可動載流子會對集電極的電場產(chǎn)生屏蔽作用，使載流子的運(yùn)動速度降低，使高頻特性在高電流下退化；這些宏觀特性與化合物半導(dǎo)體器件在超高頻、超強(qiáng)場、納米尺度下載流子輸運(yùn)機(jī)理與行為規(guī)律密切相關(guān)。因此，充分理解和挖掘器件在超高頻、超強(qiáng)場、納米尺度下載流子輸運(yùn)機(jī)理與行為規(guī)律是實現(xiàn)新原理、高性能化合物器件的關(guān)鍵問題。

在超高頻、超強(qiáng)場、納米尺度下，主導(dǎo)器件工作的基本原理將逐漸由經(jīng)典物理過渡到量子力學(xué)。通過深入研究納米尺度下化合物半導(dǎo)體器件非平衡載流子輸運(yùn)理論，理解影響超高頻器件速度的關(guān)鍵因素究竟是載流子的飽和速度還是速度過沖以及制約載流子輸運(yùn)速度的因素是什么，這一問題的解決將為太赫茲新器件提供理論指導(dǎo)和依據(jù)，使新器件的創(chuàng)新乃至突破有據(jù)可依；深入研究異質(zhì)結(jié)構(gòu)量子隧穿效應(yīng)、載流子的彈道輸運(yùn)及微觀統(tǒng)計引起的漲落等現(xiàn)象，采用MonteCarlo等模擬方法研究納米尺度、飛秒量級下載流子輸運(yùn)規(guī)律，建立一套能夠描述超高頻、納米尺度化合物半導(dǎo)體器件的物理模型；深入研究超強(qiáng)場（熱場、電場）下異質(zhì)結(jié)構(gòu)非平衡態(tài)條件下2DEG的輸運(yùn)行為，通過改變磁場強(qiáng)度、溫度、柵壓、光輻照等動態(tài)調(diào)制，揭示子帶結(jié)構(gòu)、子帶占據(jù)和各種散射機(jī)制在非平衡態(tài)下、以及從非平衡態(tài)到平衡態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的變化規(guī)律，了解影響2DEG輸運(yùn)特性的各種物理過程。深入研究化合物半導(dǎo)體材料表面態(tài)、缺陷、極化效應(yīng)等對載流子輸運(yùn)、散射、捕獲及能態(tài)躍遷等機(jī)理的影響，指導(dǎo)高性能材料生長和器件研制。

4．化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)中電、磁、熱傳輸機(jī)理與耦合機(jī)制

隨著電路和系統(tǒng)工作頻率的提高，特別是進(jìn)入毫米波（30-300GHz）波段，電磁波波長與器件和系統(tǒng)的幾何尺寸已經(jīng)可以比擬，電磁波在傳輸過程中的相位滯后、趨膚效應(yīng)、輻射效應(yīng)等都不能忽略，相應(yīng)的集成電路與系統(tǒng)的電特性分析與設(shè)計的基礎(chǔ)是電磁場理論和傳輸線理論。信號傳輸采用微帶線和共面波導(dǎo)形式，一方面其電磁場傳播模式是具有色散效應(yīng)的準(zhǔn)TEM波，另一方面在復(fù)雜多通道的電路和系統(tǒng)中存在有通道間耦合，這些都將導(dǎo)致產(chǎn)生信號的畸變、信號間串?dāng)_等信號完整性問題。同時，由于集成度和功率的提高，電磁耦合和電磁輻射導(dǎo)致的電磁兼容性問題也愈加突出，已成為系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高的制約性因素。電路與系統(tǒng)間的熱場分布與電磁場分布通過材料與結(jié)構(gòu)的電特性和物理特性相互關(guān)聯(lián)、相互作用，使得電路與系統(tǒng)的電性能和可靠性受到熱效應(yīng)的嚴(yán)重影響。

在化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)中，主導(dǎo)信號傳輸?shù)幕驹韺⒅饾u由電路理論延伸到電路、電磁場、熱場一體化理論。通過深入研究電路和系統(tǒng)中電磁場、熱場的傳輸機(jī)理與耦合機(jī)制，從電磁場理論出發(fā)，建立電磁熱分析模型，利用電路和網(wǎng)絡(luò)理論，研究電磁場量與熱場量之間的關(guān)系，研究電路與系統(tǒng)中的電磁場-熱場的廣義網(wǎng)絡(luò)分析方法，為電路和系統(tǒng)設(shè)計奠定理論基礎(chǔ)。采用三維電磁場仿真結(jié)合電路網(wǎng)絡(luò)理論，深入研究超高頻數(shù)模電路的信號延時、畸變、失配、串?dāng)_、電磁泄漏與輻射、芯片混合集成的干擾和匹配等信號完整性問題和系統(tǒng)的電磁兼容問題，認(rèn)識與理解這些問題產(chǎn)生的根源、機(jī)理和表現(xiàn)規(guī)律，為電路和系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

三、化合物半導(dǎo)體的未來趨勢

化合物半導(dǎo)體材料和器件經(jīng)過半個世紀(jì)的發(fā)展，特別是近二十年的突飛猛進(jìn)，通過發(fā)揮化合物半導(dǎo)體材料的優(yōu)良特性，在高頻、大功率、高效率等方面與硅基集成電路形成互補(bǔ)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于信息社會的各個領(lǐng)域，如無線通信、電力電子、光纖通信、國防科技等等。近幾年，隨著材料生長、器件工藝、電路集成等技術(shù)不斷發(fā)展，以及新結(jié)構(gòu)、新原理等不斷突破，化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢呈現(xiàn)四個主要方向：

（一）充分挖掘材料的優(yōu)勢，引領(lǐng)信息器件頻率、功率、效率的發(fā)展方向

作為第二代化合物半導(dǎo)體GaAs，自出現(xiàn)以后引起了極大的重視，在光電子和微電子技術(shù)方面得到了飛速的發(fā)展。鑒于其遷移率遠(yuǎn)高于第一代半導(dǎo)體，且異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行能帶剪裁，使其在微電子領(lǐng)域倍受重視。美國上世紀(jì)80年代中期啟動了MIMIC計劃，充分挖掘GaAs材料在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用，經(jīng)過多年的研究，GaAs材料在集成電路的應(yīng)用方面，特別是射頻和微波領(lǐng)域，獲得了極大的成功，廣泛地應(yīng)用于各種軍用和民用系統(tǒng)之中。隨著InP材料的成熟和發(fā)展，其豐富的異質(zhì)結(jié)構(gòu)和極高的載流子遷移率，使其在更高頻率領(lǐng)域的應(yīng)用不斷推進(jìn)和發(fā)展。美國的MAFET計劃，利用InP材料豐富的材料特性和極高的遷移率，將MMIC電路的頻率推進(jìn)到100GHz以上。其后實施的TFAST計劃，則將InP材料應(yīng)用在超高速電路領(lǐng)域，到項目結(jié)束時InP基數(shù)字電路的工作頻率提高到10GHz以上，MMIC電路的頻率突破300GHz，顯示了InP材料在高頻領(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢。受此鼓舞，美國啟動了THz電子學(xué)研究計劃，計劃充分挖掘InP基材料在高頻領(lǐng)域的優(yōu)勢，將電路的工作頻率推進(jìn)到太赫茲領(lǐng)域。在今后相當(dāng)長的一段時間里，具有優(yōu)異特性的InP基材料和電路將成為研究的熱點(diǎn)。

GaN和SiC作為第三代半導(dǎo)體材料，具有非常高的禁帶寬度和功率處理能力，在功率半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要的作用。美國國防先進(jìn)研究計劃局（DARPA）啟動寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計劃（WBGSTI），極大推動了寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。采用GaN基異質(zhì)材料和極化效應(yīng)，可以得到非常高的載流子面密度，提高器件的功率密度。充分挖掘GaN材料的特性，現(xiàn)有的GaN微波電路的工作頻率已經(jīng)進(jìn)入到W波段，其功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他半導(dǎo)體材料，并有向更高頻率不斷發(fā)展的趨勢。

SiC材料具有大的禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高擊穿電場強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)良的物理化學(xué)特性和電學(xué)特性，在高溫、大功率、抗輻射等應(yīng)用場合是理想的半導(dǎo)體材料之一。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看，SiC電力電子器件的頻率高、開關(guān)損耗小、效率高。美國和日本的半導(dǎo)體公司紛紛投入巨資進(jìn)行SiC電力電子器件的研發(fā)。Cree公司的SiCSBD的開關(guān)頻率從150kHz提高到500kHz，開關(guān)損耗極小，適用于頻率極高的電源產(chǎn)品，如電信部門的高檔PC及服務(wù)器電源；開發(fā)10kV/50A的PiN二極管和10kV的SiCMOSFET的市場目標(biāo)是10kV與110A的模塊，可用于海軍艦艇的電氣設(shè)備、效率更高和切換更快的電網(wǎng)系統(tǒng)，以及電力設(shè)備的變換器件，其SiCMOSFET更關(guān)注于混合燃料電動車輛的電源與太陽能模塊。此外，日本半導(dǎo)體廠商也陸續(xù)投入SiCIC量產(chǎn)，F(xiàn)ujiElectricHoldings評估在子公司松本工廠生產(chǎn)SiC半導(dǎo)體器件，該公司預(yù)計2011年度開始量產(chǎn)；三菱電機(jī)預(yù)計2011年度在福岡制作所設(shè)置采用4寸晶圓之試產(chǎn)線，投入量產(chǎn)，產(chǎn)能為每月3千片。Toshiba則以2013年正式投產(chǎn)為目標(biāo)，在川崎市的研發(fā)基地導(dǎo)入試產(chǎn)線，將運(yùn)用于自家生產(chǎn)的鐵路相關(guān)設(shè)備上。充分挖掘SiC材料的優(yōu)勢，開發(fā)新的工藝，實現(xiàn)高效的電力電子器件將是今后發(fā)展的重點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)。

（二）高遷移率化合物半導(dǎo)體材料：延展摩爾定律的新動力

在過去的四十多年中，以硅CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)的集成電路技術(shù)遵循“摩爾定律”通過縮小器件的特征尺寸來提高芯片的工作速度、增加集成度以及降低成本，集成電路的特征尺寸由微米尺度進(jìn)化到納米尺度，取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與科學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步，被譽(yù)為人類歷史上發(fā)展最快的技術(shù)之一。然而，隨著集成電路技術(shù)發(fā)展到22納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)及以下時，硅集成電路技術(shù)在速度、功耗、集成度、可靠性等方面將受到一系列基本物理問題和工藝技術(shù)問題的限制，并且昂貴的生產(chǎn)線建設(shè)和制造成本使集成電路產(chǎn)業(yè)面臨巨大的投資風(fēng)險，傳統(tǒng)的硅CMOS技術(shù)采用“縮小尺寸”來實現(xiàn)更小、更快、更廉價的邏輯與存儲器件的發(fā)展模式已經(jīng)難以持續(xù)。因此，ITRS清楚地指出，“后22納米”CMOS技術(shù)將采用全新的材料體系、器件結(jié)構(gòu)和集成技術(shù)，集成電路技術(shù)將在“后22納米”時代面臨重大技術(shù)跨越及轉(zhuǎn)型。

III-V族化合物半導(dǎo)體（尤其是GaAs、InP、InAs、InSb等化合物半導(dǎo)體）的電子遷移率大約是硅的4-60倍，在低場和強(qiáng)場下具有優(yōu)異的電子輸運(yùn)性能，并且可以靈活地應(yīng)用異質(zhì)結(jié)能帶工程和雜質(zhì)工程同時對器件的性能進(jìn)行裁剪，被譽(yù)為新一代MOS器件的理想溝道材料。為了應(yīng)對集成電路技術(shù)所面臨的嚴(yán)峻挑戰(zhàn),采用與硅工藝兼容的高遷移率III-V族化合物半導(dǎo)體材料替代應(yīng)變硅溝道，以大幅度提高邏輯電路的開關(guān)速度并實現(xiàn)極低功耗工作的研究已經(jīng)發(fā)展成為近期全球微電子領(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。美國、歐洲、日本等各主要發(fā)達(dá)國家都在加大相關(guān)研究的投入力度，各半導(dǎo)體公司如Intel、IBM、TSMC、Freescale等都在投入相當(dāng)?shù)娜肆臀锪﹂_展高遷移率CMOS技術(shù)的研究，力圖在新一輪的技術(shù)競爭中再次引領(lǐng)全球集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2008年，歐盟委員會投資1500萬歐元（約合1.4億人民幣）開展“DUALLOGIC”項目研究，以歐洲微電子研究中心（IMEC）為研發(fā)平臺，聯(lián)合IBM、AIXTRON、意法半導(dǎo)體（STMicroelectronics）、恩智浦半導(dǎo)體（NXPSemiconductor）等9家單位，對高遷移率III-V族化合物半導(dǎo)體材料應(yīng)用于“后22納米”高性能CMOS邏輯電路進(jìn)行技術(shù)攻關(guān)，被譽(yù)為歐盟CMOS研究的“旗艦”項目。

在Intel、IBM等國際著名半導(dǎo)體公司的大力推動下，高遷移率III-VMOS器件的研究取得了一系列突破性進(jìn)展：（1）與同等技術(shù)水平的硅基NMOS技術(shù)相比，高遷移率III-VNMOS技術(shù)具有顯著的速度優(yōu)勢（速度提高3-4倍）、超低的工作電壓（0.5V電源電壓）和極低的功耗（動態(tài)功耗降低一個數(shù)量級）；（2）與新興的分子、量子器件相比（例如有機(jī)分子器件、碳基納米器件），III-V族化合物半導(dǎo)體材料已廣泛應(yīng)用于微波電子與光電子器件領(lǐng)域，人們對其材料屬性與器件物理的了解十分深入，其制造技術(shù)與主流硅工藝的兼容性好；（3）III-V族化合物半導(dǎo)體是光發(fā)射與接收的理想材料，這將為極大規(guī)模集成電路（ULSI）中光互連技術(shù)以及集成光電子系統(tǒng)的發(fā)展帶來新的契機(jī)。

鑒于高遷移率CMOS技術(shù)的重大應(yīng)用前景，采用高遷移率III-V族半導(dǎo)體材料替代應(yīng)變硅溝道實現(xiàn)高性能CMOS的研究已經(jīng)發(fā)展成為近期微電子領(lǐng)域的研究重點(diǎn)，2009年至2011年的國際電子器件會議（IEDM）每年有超過10篇高遷移率III-VMOS器件的研究論文。近年來，ITRS也將高遷移率III-V族化合物材料列為新一代高性能CMOS器件的溝道解決方案之一。根據(jù)Intel公司的預(yù)計，高遷移率III-VMOS技術(shù)將在2015年左右開始應(yīng)用于11納米CMOS技術(shù)節(jié)點(diǎn)。

目前，在世界范圍內(nèi)尚處于起步階段的高遷移率CMOS技術(shù)的研究現(xiàn)狀，為我國在“后22納米”CMOS領(lǐng)域的研究提供了自主創(chuàng)新的新機(jī)遇。如果我們能夠抓住機(jī)遇，在集成電路技術(shù)的前沿領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)突破，這將打破我國微電子研究長期追趕國際前沿、無法取得核心技術(shù)的被動局面。

（三）與硅基材料和技術(shù)融合，支撐信息科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新突破

隨著信息技術(shù)向推動人類社會在健康、環(huán)境、安全、新價值深入發(fā)展的新技術(shù)范疇發(fā)展，傳統(tǒng)CMOS技術(shù)不能滿足所有信息系統(tǒng)在現(xiàn)實世界的各種不同需求，例如無線電頻率和移動電話，高壓開關(guān)與模擬電路非數(shù)字的功能，以及汽車電子照明和電池充電器、傳感器和執(zhí)行器和至關(guān)重要的控制汽車運(yùn)動的安全系統(tǒng)電路，這些新的電子應(yīng)用領(lǐng)域需要發(fā)展新型功能器件與異質(zhì)融合技術(shù)。化合物半導(dǎo)體在功率、頻率、光電集成、信息傳感、量子新器件等方面具有巨大的優(yōu)勢，而硅基材料和集成電路在信號處理與計算、功能集成等領(lǐng)域占據(jù)主導(dǎo)地位，同時在性價比、工藝成熟度等方面具有化合物不可比擬的優(yōu)勢，將兩者的優(yōu)勢有效結(jié)合，是化合物半導(dǎo)體發(fā)展的必然趨勢。

將以GaAs和InP為代表的III-V族化合物半導(dǎo)體、以GaN和SiC為代表的第三代半導(dǎo)體與硅基材料集成是目前發(fā)展的重點(diǎn)。Si基GaAs、InP將在光電集成和量子集成等方面呈現(xiàn)優(yōu)勢，美國先后投資5.4億美金開展CosMOS、硅基光電單片集成、光互連等計劃，重點(diǎn)支持硅基InP材料和集成技術(shù)研究，通過將InP材料的高頻和光電特性與硅基集成電路結(jié)合發(fā)展超高頻數(shù)模電路、光電單片系統(tǒng)和超級計算機(jī)用多核處理器等。其中，美國國防部高級研究計劃局投資1820萬美元（約合1.2億人民幣）開發(fā)大尺寸硅基III-V族化合物半導(dǎo)體材料技術(shù)（COSMOS項目），已在高性能數(shù)模集成電路和單片系統(tǒng)集成的領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。Si基GaN材料和器件是目前研究另一大熱點(diǎn)，其目的是將GaN的擊穿電壓大、功率高的優(yōu)勢與硅集成電路成熟廉價的優(yōu)勢結(jié)合起來，為電力電子、功率傳輸、高亮度發(fā)光等方面技術(shù)發(fā)展和普及應(yīng)用提供技術(shù)支撐。2011年5月，歐洲研究機(jī)構(gòu)IMEC與其合作伙伴最近成功在200mm規(guī)格硅襯底上制造出了高質(zhì)量的GaN/AlGaN異質(zhì)結(jié)構(gòu)層，并正合作研究基于氮化鎵材料的HEMT晶體管技術(shù)，這標(biāo)志著在將功率器件引入200mm規(guī)格芯片廠進(jìn)行高效率生產(chǎn)方面取得了里程碑式的成就。由此可見，與硅基材料和技術(shù)融合將是未來信息科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新突破的基礎(chǔ)與支撐之一。

（四）SiC電力電子器件異軍突起，引領(lǐng)綠色微電子發(fā)展

多年來，由于SiC材料和器件的制備工藝難度大、成品率低，因而價格較高，影響其向民用市場的推廣應(yīng)用。在單晶方面，國際上一直致力于SiC襯底晶片的擴(kuò)徑工作，主要原因是使用大直徑SiC襯底（如6英寸襯底）不但可提高生產(chǎn)效率，而且也有助于減少器件的制造成本。

自2007年至今，市場上的商用SiC襯底片從50mm發(fā)展到150mm，SiC襯底的直徑越來越大，并且位錯、微管等缺陷的密度越來越低，從而使SiC器件的成品率提高、成本降低，生產(chǎn)SiC產(chǎn)品的廠商越來越多，更多的領(lǐng)域開始使用SiC器件。法國市場調(diào)研公司YoleDevelopment提供的數(shù)據(jù)表明從2005年至2009年SiC器件市場的年增長率為27%，從2010年至2015年的年增長率將為60%~70%。我國天科合達(dá)藍(lán)光半導(dǎo)體公司進(jìn)入SiC襯底市場后，迅速降低了國際上SiC襯底的價格，從而推動SiC器件的更快普及。

隨著SiC襯底尺寸的加大、工藝技術(shù)水平的不斷提高，節(jié)能技術(shù)快速發(fā)展的需求，SiC電力電子器件的發(fā)展十分迅速，在SiC功率器件研究方面，除了SiCSBD系列化產(chǎn)品外，SiCMOSFET性能和可靠性進(jìn)一步完善，SiC功率器件向高速、高壓、高功率方向發(fā)展，包括：SiCBJT器件、高壓SiCPiN器件，以及SiCIGBT器件。SiC器件從實驗室向商業(yè)化制造和工程化應(yīng)用方向快速發(fā)展，國際廠商紛紛進(jìn)入SiC器件制造領(lǐng)域。Cree公司的SiCSBD的開關(guān)頻率從150kHz提高到500kHz，開關(guān)損耗極小，適用于頻率極高的電源產(chǎn)品，如電信部門的高檔PC及服務(wù)器電源；開發(fā)10kV/50A的PiN二極管和10kV的SiCMOSFET的市場目標(biāo)是10kV與110A的模塊，可用于海軍艦艇的電氣設(shè)備、效率更高和切換更快的電網(wǎng)系統(tǒng)，以及電力設(shè)備的變換器件，其SiCMOSFET更關(guān)注于混合燃料電動車輛的電源與太陽能模塊。此外，日本半導(dǎo)體廠商也陸續(xù)投入SiCIC量產(chǎn)，F(xiàn)ujiElectricHoldings評估在子公司松本工廠生產(chǎn)SiC半導(dǎo)體器件，該公司預(yù)計2011年度開始量產(chǎn)；三菱電機(jī)預(yù)計2011年度在福岡制作所設(shè)置采用4寸晶圓之試產(chǎn)線，投入量產(chǎn)，產(chǎn)能為每月3千片。Toshiba則以2013年正式投產(chǎn)為目標(biāo)，在川崎市的研發(fā)基地導(dǎo)入試產(chǎn)線，將運(yùn)用于自家生產(chǎn)的鐵路相關(guān)設(shè)備上。

SiC功率器件商業(yè)化應(yīng)用提速，國際SiC器件廠商不斷完善SiC功率器件系列，SiC功率器件走向?qū)嵱没Ｈ怆姍C(jī)2010年實現(xiàn)首次將SiC肖特基勢壘二極管配置在空調(diào)上，使SiC二極管實現(xiàn)了實用化，同時，三菱還積極推動二極管與晶體管都采用SiC功率器件的功率模塊的“全SiC”化。從中期來看，SiC功率器件將向汽車和鐵路機(jī)車領(lǐng)域擴(kuò)展。SiC功率器件將出現(xiàn)在混合動力車及電動汽車等電動車輛的主馬達(dá)驅(qū)動用逆變器中；而且，SiC功率器件在鐵路機(jī)車應(yīng)用中的時間有可能早于在汽車中的應(yīng)用。

SiC器件的發(fā)展帶動功率模塊的快速發(fā)展，部分SiC器件廠商計劃將SiC功率器件以模塊形式銷售，面向空調(diào)、功率調(diào)節(jié)器銷售SiC模塊的通用產(chǎn)品，面向電動車輛及鐵路車輛銷售定制產(chǎn)品。另外，電動車輛用途方面，除了SiC模塊之外，還有可能提供包括馬達(dá)在內(nèi)的綜合系統(tǒng)。

采用碳化硅等新型寬禁帶半導(dǎo)體材料制成的功率器件，實現(xiàn)人們對“理想器件”的追求，將是下個世紀(jì)電力電子器件發(fā)展的主要趨勢。

四、體會與期望

當(dāng)前我國已初步解決Ku波段以下的化合物半導(dǎo)體器件和電路的國產(chǎn)化問題，但GaAs電路芯片由多家美、日、德等國的大公司（例如：Vitesse、Anadigics、Siemens、Triquint、Motorola、Alpha、HP、Oki、NTT等公司）供應(yīng)。在InP、寬禁帶化合物半導(dǎo)體（GaN、SiC）方面，技術(shù)和產(chǎn)業(yè)化方面已經(jīng)有了重要的突破，形成以中電集團(tuán)、中科院和高校為核心三支隊伍。重要的是我國目前移動電話用戶總數(shù)已經(jīng)突破7億，互聯(lián)網(wǎng)用戶超過3億，數(shù)字有線電視用戶將突破1億，信息網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的大發(fā)展必將給光通信產(chǎn)品制造業(yè)帶來巨大的市場需求，迫切希望有價格便宜的國產(chǎn)相關(guān)元器件，以降低成本、增強(qiáng)競爭力。我國各類與移動、光纖和高速電路有關(guān)的芯片需求約達(dá)到3億塊以上，估計每年產(chǎn)值可達(dá)數(shù)億元至幾十億元。完全有理由相信，我國的化合物半導(dǎo)體電子器件定會高速發(fā)展。