微波半导体材料及器件技术创新发展战略

２００２年第１８卷第１朝　电　帆械工程　２００２　ＶｏＬ１８　Ｎｏ．１　Ｅｌｅｃｔｒｏ－－Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　德波半身１】虹和料及器件技市创舒发展战略　李涵秋　（南京电子器件研究所，江苏南京２１００１６）　摘要：半导体材料是决定ＭＭＩＣ芯片性能和成本的首要因素。微波半导体器件则是ＭＭＩＣ芯　片的核一　要件。在战略角度研究分析了微波丰导体材料及嚣件的发展趋势，指出为实现芯片厦模　块的性能和成本目标，当前应持的创新发展战略　关键词：微波；半导体；固态嚣件；单片微波集成电路　中圈分类号：ＴＮ３８５　文献标识码：Ａ　文章编号：ｌ０Ｏ８—５３００（２００２）０１－－００　Ｌｌ一０６　Ａ　Ｓｔｕｄｙ　ｏｎ　Ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　Ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｏｆ　Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｎｄ　Ｄｅｖｉｃｅｓ　ＬＩ　Ｈａｎｑｌｕ　（Ｎａ　ｉｎｇ　Ｒｅｓｅａｒｃｈ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ　Ｄｅｖｉｃｅ，Ｎａｎｊｉｎｇ　２１００１６，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　ｍａｔｅｒｉａｌｓ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｆｉｒｓｔ　ｆａｃｔｏｒ　ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ａｎｄ　ＣＯＳｔ　０ｆ　ＭＭＩＣｓ．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｓｏｌｉｄ　ｓｔａｔｅ　ｄｅｖｉｃｅｓ　ａｒｅ　ｔｈｅ　ｋｅｙ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ　ｏｆ　ＭＭＩＣ　ｃｈｉｐｓ．Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｒｅｖｉｅｗｓ　ｓｔｒａｔｅｇｉｃａｌｌｙ　ｔｈｅ　ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ　ｔｒｅｎｄｓ　ｏｆ　ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ　ａｎｄ　ｄｅｖｉｃｅｓ，ｔｈｅｎ　ｐｏｉｎｔｓ　ＯＵｔ　ｗｈｉｃｈ　ｉｎｎｏｖａｔｉｖｅ　ｓｔｒａｔｅｇｙ　ｓｈｏｕｌｄ　ｂｅ　ｔａｋｅｎ　ｎｏｗ　ｆｏｒ　ａｐｐｒｏａｃｈｉｎｇ　ａｎｄ　ｆｉｎａｌｌｙ　ａｃｈｉｅｖｉｎｇ　ｔｈｅ　ｐｅｒｆｏｒｍ。　ａｎｃｅ　ａｎｄ　ＣＯＳｔ　ｇｏａｌｓ　ｏｆ　ＭＭＩＣ　ｃｈｉｐｓ　ａｎｄ　ｍｏｄｕｌｅｓ．　Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ：Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ；Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ；Ｓｏｌｉｄ　ｓｔａｔｅ　ｄｅｖｉｃｅ；ＭＭＩＣ　半导体材料是决定ＭＭＩＣ芯片性能和成本的　管如此研究与开发活动却未有过瞬息停顿。因为应　首要因素。为实现在可接受价格前提下提供满意性　用需求总是在变本加利的提升，而竞争技术又时时　能的战略目标，芯片设计及制造者历来都对半导体　在一旁提出新的挑战。　材料的选择及搭配、圆片直径及圆片制备工艺等持　第三代移动通信系统具有高速能力，数据率达　谨慎态度。时至今日，抉择者们不可能在方向上再　到２　Ｍｂ／ｓ，以满足无线上网等业务需要。手机成套　发生严重偏差。但由于应用需求和技术本身均还处　芯片中射频功放ＭＭＩＣ是ＧａＡｓ技术目前尚未遇　在发展之中，而发展全局与设计制造者所处的特定　到强劲对手的唯一的一片。第三代移动通信体制标　环境之间又往往是不平衡的，倘若对某些模棱两可　准对该芯片提出了若干特殊要求，如单电源供电，因　状态的技术路线问题出现截然相反的观点那是不足　而较低复杂性和较小尺寸重量；高效率，因而较长通　为奇的，至于在技术细节上呈现百家争鸣、百花齐放　话时间；高线性，因而较高系统容量及通话私密性。　的情景则更是可喜可贺的。　对有源器件逐一排查后仅有ＧａＡｓ　ＨＢＴ和Ｅ模　微波半导体材料笼统的可分为传统材料和新型　ＰＨＥＭＴ人选。ＲＦＭＤ公司目前８５　的业务与　材料两大类。前者即熟知的ＧａＡｓ、ＩｎＰ系列；新型　ＨＢＴ有关，多数是为Ｎｏｋｉａ手机配套的功放　材料有ＳｉＧｅ合金及宽禁带半导体材料ＳｉＣ及ＧａＮ　ＭＭＩＣ　。又如Ｃｏｎｅｘａｎｔ公司供手机用的ＧａＡｓ　系列。　ＨＢＴ功放ＭＭＩｃ产量目前已达到４００～５００万片／　在传统微渡半导体材料中ＧａＡｓ最为成熟。尽　月…。在ＧａＡｓＭＭＩＣ其他几个应用热点中．包括　－收稿日期：２００１－－０５—２０　维普资讯 http://www.cqvip.com

电子机械工程　第１８卷　ＷＬＡＮ、ＬＭＤＳ、Ｋｕ—Ｋａ频段ＶＳＡＴ、地面微波中　不会束手就范。答复只有一个，邪就是设法应对，以　继链路、汽车防撞雷达及自动巡航系统等，借助异质　具有竞争力的价位快速拓展市场空间，继而又从市　结机制增强器件的频率、功率、增益潜力的趋势则早　场回报中取得更强的发展活力。在所有的应对策略　有表现。上述趋势说明离子注入不再是ＧａＡｓ民用　中增大圆片直径是见效最快的，其他策略还有节省　ＭＭ１Ｃ的普通工艺，某些高性能芯片必须仰仗ＭＢＥ　芯片面积、提高成品率等等。成品率控制是一个复　或ＭＯＣＶＤ等精密外延手段。以往的经验是，离子　杂的系统工程，涉及设计、工艺、设备、材料、人员及　注入属于低成本、高产率的生产线工艺，而调制掺杂　管理各个环节。讨论必然要涉及到这个问题，但是　及异质外延则属于高成本、低产率的实验室工艺。　全面深人的探讨只能在今后的研究课题中进行。　这种传统的格局必须打破，否则ＧａＡｓ　ＨＢＴ或　Ｖｉｔｅｓｓｅ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ最早开通其６”（１５０　ＰＨＥＭＴ　ＭＭＩＣ非但不可能投向民用市场，即使作　ｍｍ）ＧａＡｓ工艺线，Ａｎａｄｉｇｉｅｓ、Ｓｉｅｍｅｎｓ及Ｒａｙｔｈｅｏｎ　为军品，其用途也仅限于少数标志性装备或特别重　等紧随其后。Ｒａｙｔｈｅｏｎ公司微电子揶主管Ｊｉｍ　要的场合。传统格局的打破是在近５年内完成的。　Ｄｉｌｏｒｅｎｚｏ一年前在宣布其６　线建线计划时说的一　９Ｏ年代初各ＧａＡｓ标准工艺线主要使用的是内部　句话让人感到振聋发聩，他说：“倘若你还想在　研究与开发设备提供的外延片，９Ｏ年代中期许多小　ＧａＡｓ界立足，你就必须拥有６　线”“）。美国ＨＤＭＰ　型的民用ＧａＡｓ器件及电路生产商应运而生，其规　计划负贲人Ｅｌｉｏｔ．Ｄ．Ｃｏｈｅｎ则说，“尽管目前普遍使　模虽小，但市场定位明确，因而发展势头良好，由此　用的是４　圆片，但为了根本上实现ＧａＡｓ　ＭＭＩｃ的　产生对外延片外购的需求。与此同时在发展两用技　低成本目标，圆片直径至少应达到６　“】。就圆片成　术口号的推动下各标准工艺线也纷纷转向民品开　本而言ＧａＡｓ处于劣势，如６”ＧａＡｓ圆片单价是６００　发，此时内部配套的外延片在数量和品种上已不能　美元，而８　ｓｉ片仅值２００美元。工艺成本主要取决　满足需要。上述情形为化合物半导体材料生产厂提　于光刻道数。ＧａＡｓ　ＨＢＴ只需１４道光刻，而ｓｉ　供了商机，促使他们追加投资、扩大生产规模。至　ＣＭＯＳ和ＳｉＧｅ　ＨＢＴ的结合则需３２道光刻。ＧａＡｓ　１９９５年底全球已有ｌ５家化台物半导体外延片生产　工艺成本的优势恰好充抵圆片成本的劣势，从而使　厂，时隔２年，１　９９７年底就猛增到２８家。这些厂商　两者的单位面积芯片成本相互接近。换而言之，启　正在加足马力２～４倍地扩大生产，以满足日趋旺盛　用６　圆片后方能使以ｓｉ芯片的成本获得ＧａＡｓ的　的市场需求。产品主要是ＧａＡｓ系列，其他还有　高性能的目标成为现实。Ｒａｙｔｈｅｏｎ公司对芯片产　ＩｎＰ系列及ＧａＮ系列。外延片产业的兴旺进而又　出率及对成本的影响进行分析后得出结论，６”圆片　拉动了外延设备产业和源材料产业，最显著的成果　的产出率是４”圆片的２．２５倍，若生产线始终维持在　是成功地使ＭＢＥ／ＭＯＣＶＤ及其ＭＢＥ和ＭＯＣＶＤ　高负荷状态，即不存在管理费、运转费的浪费．则６”　结合的产物ＣＢＥ走出了实验室，变成了高产率的生　线芯片工艺成本可比　线下降３０％～４５　。图１　产型设备。目前上述设备均可同时生产１２片５Ｏ　所示为该公司对ＧａＡｓ芯片成本的分析及预涮结　ｍｍ、５片７５　ｍｍ或３片ｉ００　ｍｍ的圆片，而即将投　果。　线建线投资巨大，必须从其低成本收益中得　放市场的外延系统生产能力还将提高３～４倍”】。　到补偿，因此确保生产线高负荷运转是必要条件。　众所周知ＧａＡｓ的宿敌是ｓｉ。迄今为止ｓｉ微　典型的Ｔ／Ｒ模块生产根本不足以使生产线高负　波功率器件及ＭＭＩＣ的开发工作始终没有间断，其　荷　，因为每个４　圆片即可产出５０个以上模块所需　低成本及数模混合信号单片集成的优势每每对　的ＧａＡｓ　ＭＭＩｃ芯片，而不足２（３（３（３个　圆片或　ＧａＡｓ构成抢滩威胁。尤其使ＧａＡｓ产业界担忧的　１０００个６　圆片即可满足１０万个模块的需要。典型　是ＳｉＧｅ材料的快速发展。ＳｉＧｅ属于可变组分材料　的ＧａＡｓ标准工艺线年生产能力至少是２００００片。　系统，与化合物半导体一样可以借助异质结来提升　分析表明生产线负荷２０　时芯片生产成本将是　器件的性能．从而为ｓｉ又添一道砝码。数年前曾经　８ｏ　负荷时的三倍，为此生产线决不能单打一，而必　考虑过在ｓｉ衬底上外延ＧａＡｓ的问题　】，目标是极　须进行成套生产。以上分析从一个侧面证明了民品　其明显的，即综台两种材料的优势，但ＳｉＧｅ的崛起　开发对军品生产的有力支持。　彻底摧毁了上述创见的存在基础。ＳｉＧｅ对ＧａＡｓ　Ｒａｙｔｈｅｏｎ等４家公司之所以提出上　线的决　构成的困境既是压力，又是动力。ＧａＡｓ产业当然　策，首先是因为他们看好无线通信手机市场。据预　维普资讯 http://www.cqvip.com

第ｌ期　李涵秋：微波半导体材料及器件技术创新发展战略　一个大的应用领域。ＩｎＰ基的激光二极管和光电探　删二极管其工作波长恰好盘于光纤的传输窗口Ｉ．３　１．５５　Ｐ－ｍ之间，因此ＩｎＰ基材料系统成为制作光　～电发射及接收集成芯片的唯一选择。当前ＩｎＰ　ＰＩＮ　—ＨＥＭＴ及ＰＩＮ～ＨＢＴ混合器件及混合信号光接　收单片电路正在开发之中，用于４０　Ｇｈ／ｓ光通信系　统。　ＩｎＰ材料的应用潜力虽然可观，但对它的研究　与开发起步较晚，因而技术成熟程度也就略显不足。　图１　ＧａＡｓ芯片成本走向　无论是材料供应商、芯片制造商或是系统用户多少　都还对其心存疑虑。主要疑虑有两条，一是可靠性　问韪，包括强信号下抗烧毁能力和长期失效问题；二　｛弼Ｉ到２００３年手机市场将超过３．５亿部，加上其他项　目的需求ＧａＡｓ　ＭＭＩＣ市场总额将达到２４亿美元。　象Ｒａｙｔｈｅｏｎ的年加工２０万片６　圆片的生产线３～　４条才能满足市场需求的７５　。当然在ＧａＡｓ产业　界中并不是所有经营者眼下都对建６　线持积极态　度，相当一部分仍在观望。有的对已有的４　线开足　马力高速运转更感兴趣，有的则把开发高生产率的　０．１　ｍ光刻工艺列为当前的工作重心。但业内人　是成本问题，包括材料成本、工艺成本殛成品率等　等。对于前者最近已有一些文献给出肯定的答复。　ＴＲＷ公司的测试结果表明　】，ＩｎＰ　ＨＥＭＴ分立器　件及其ＭＭ１Ｃ强信号状态下的生命力丝毫不亚于　ＧａＡｓ　ＰＨＥＭＴ及其ＭＭＩＣ。ＩｎＰ　ＨＥＭＴ长期可靠　性问题的症结从本质上看与ＧａＡｓ　ＰＨＥＭＴ并无一　致。许多微波封装材料都会释放Ｈ：，在密封管壳内　士评论说，Ｒａｙｔｈｅｏｎ公司的最新举动已经引起了震　憾，而这种震憾具有连锁反应的力量。　过去的１ｏ年间毫米波军用和商用的意义及可　行性均已得到普遍的认可。ＧａＡｓ深亚半微米　ＰＨＥＭＴ及其ＭＭＩＣ的开发工作本质上就是瞄准　它们将集聚并达到一定浓度，从而对栅电极中的　或Ｐ　成份产生侵蚀，这就是所谓的氢敏感性。低成　本的商用ＭＭＩＣ一般不使用密封管壳，因而不存在　氢敏感性问胚。对于密封封装的军品和空间系统用　品有效改善氢敏感性问题途径无非是两条，一是在　管壳内加Ｈ：消气剂，二是对ＭＭＩＣ芯片作钝化保　护。有关ＩｎＰ成本问题当前的种种表现其实是一幕　历史的重演，因为相似的遭遇７年之前ＧａＡｓ也经　历过。成本难题是ＩｎＰ技术通向实用化、商品化大　了毫米波系统的需求。分析表明７５　ＧＨｚ以下频段　ＧａＡｓ　ＰＨＥＭＴ由于技术成熟程度较高因而目前稳　居主流地位，但７５　ＧＨｚ以上ＩｎＰ　ＨＥＭＴ将是赢　家。ＩｎＰ毫米波器件的研究与开发目前进展良好，　其性能潜力业已得到充分的揭示。ＩｎＰ　ＨＥＭＴ截　止频率（，Ｔ）达到３５０　ＧＨｚ、最高娠荡频率（　）则高　达６００　ＧＨｚ。除频率特性外ＩｎＰ　ＨＥＭＴ还表现出　门的最后一道屏障，因此成本难题的攻克无异于一　场生死决战。ＩｎＰ技术的发展模式与ＧａＡｓ十分相　似，不同的是发展步伐却大大加快了，这是因为有　撅佳的噪声性能，６０￣９４　ＧＨｚ范围内平均比ＧａＡｓ　ＰＨＥＭＴ低１　ｄＢ。此外在相似增益条件下ＩｍＰ　ＨＥＭＴ的功耗仅为ＧａＡｓ同类器件的２５　。ＩｎＰ　ＧａＡｓ技术的前车之鉴，加之信息化需求环境的有　力拉动。解决高品位大直径半绝缘村底供货能力问　题是攻克ＩｎＰ技术成本难题的关键，因此美国政府　及军方于１９９７年起资助了一项名为屋防生产行动　第三梯队（ＴｉｔｌｅⅢ）的计划“），向ＡｘＴ（Ａｍｅｒｉｃａｎ　Ｘｔａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）和Ｍ／Ａ—Ｃｏｍ提供７９０万美元，　用于开发大直径半绝缘ＩｎＰ圆片。ＴｉｔｌｅⅢ计划的　直接目标是帮助上述两家企业建立各自的　ｌｎＰ圆　片生产线。但计划负责人Ｊｏｈｎ　Ｂｌｅｖｉｎｓ叉说，他们　期待该计划能刺激竞争氛围的形成，从而激发未列　入资助范围的企业为提高产品档次、降低价格而进　行自我投资的兴趣。果然不出所料，Ｃｒｙｓｔａ　Ｃｏｍｍ　ＨＥＭＴ的功率性能也十分优异，７５　ＧＨｚ以上频段　输出功率达到与ＧａＡｓ　ＰＨＥＭＴ可比的水平，而增　功率效率（ＰＡＥ）却高出一倍，增益也大３～４　ｄＢ。　在多功能ＭＭＩＣ中振荡器是关键电路区块。ＩｎＰ　ＨＥＭＴ振荡器基频已达到创记录的２１３　ＧＨｚ。ＩｎＰ　ＨＢＴ与ＧａＡｓ或ＳｉＧｅ　ＨＢＴ及ｓｉ　ＢＪＴ相比不仅在　耐击穿能力上胜过一筹，而且还具有极低的开启电　压和良好的噪声性能。ＩｎＰ　ＨＥＭＴ和ＨＢＴ还可用　于高速数字电路，从而为数／模混合信号单片集成提　供了基础条件。除微电子应用外光电子是ｌｎＰ的又　维普资讯 http://www.cqvip.com

电子机械工程　第ｌ８卷　电同期试生产了他们的４　ｌｎＰ圆片产品。事实证明　驰。使用渐变组分缓冲层后沟道层Ｉｎ的组分　在　ＴｉｔｌｅⅢ计划并没有白费，至２０００年底４　ｌｎＰ圆片　３ｏ　～６０　之间几乎可以任意选择，提供器件性能　即可正式投放市场　优化以极大的自由度。　按照ＤＡＲＰＡ的ＭＡＦＥＴ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　ａｎｄ　关于ＳｉＧｅ前文已有所提及。尽管ＳｉＧｅ异质结　Ａｎａｌｏｇ　Ｆｒｏｎｔ　Ｅｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）第３期计划的部署，　器件的研究与开发比Ⅲ一Ｖ族化合物器件落后近　ＴＲＷ公司在其３　ｌｎＰ工艺线上开展了许多有益的　１　５年，尽管在ＳｉＧｅ高产出率、大面积、低缺陷异质　研究开发工作。ｌｎＰ　ＨＥＭＴ功放ＭＭ１Ｃ在９５　ＧＨｚ　外延等技术领域中还存在若干挑战性难题，但有成　输出功率达到创记录的４２７　ｍＷ。ＴＲＷ的ＩｎＰ　本低廉的ｓｉ衬底和ｓｉ工艺作后盾，ＳｉＧｅ异质结器　ＨＥＭＴ工艺已通过空间质量鉴定，这意味着可用于　件和集成电路作为一种具有价格竞争力潜质的产品　近期发射的卫星系统上。ＴＲＷ还在已被证实的高　必将有充分展示其技术优势的一天，而且时间不会　产量的ＧａＡｓ　ＨＢＴ工艺基础上，对ＩｎＰ工艺建模，　很远。就微波应用而言ＳｉＧｅ　ＨＢＴ性能价格综合优　有些ＧａＡｓ工艺步骤甚至可以直接转移到ＩｎＰ线　胜频段处于２～ｌｏＧＨｚ范围，对Ⅲ一Ｖ族化合物半　上。在外延方面ＴＲＷ已确定了可重复生产的ＩｎＰ　导体尚不会构成本质的威胁。ＳｉＧｅ　ＨＢＴ最具括力　ＭＢＥ生产工艺。现有的３　工艺线已显示了与　的优势是与Ｓｉ　ＣＭＯＳ单片集成的潜能。如此构成　ＧａＡｓ　ＨＢＴ工艺相仿的成品率控制能力。背处理　的数模混合信号的超大规模集成电路芯片必将赢得　（减薄和通孔制作）的进一步完善也在进行之中。在　信息系统的青睐。　上述３　线完善的基础上ＴＲｗ还在开发其商用及空　在雷达、通信、电子战等作战系统微波前端的各　间应用４　工艺线。种种迹象表明曾经笼罩在ＩｎＰ上　项性能指标中输出功率、线性和效率历来都占据着　空的疑云正在被阵阵轻风所驱散，而一旦人们对它　首要地位。尽管ＧａＡｓ及ＩｎＰ等Ⅲ一Ｖ族化台物半　确立起必胜的信心，ＩｎＰ进人市场的力度将变得锐　导体器件及模块目前已大量介人了上述作战系统，　不可挡。ＩｎＰ产业甚至把目光投向了ＧａＡｓ稳居主　但必须承认功率单元确实算不上它们的强项。为此　流地位的应用领域，如Ｋｕ～Ｖ频段无线宽带接续、　无论在器件还是在电路上均作了巨大的投入，但时　宽带移动通信及第三代移动通信的中继链路等等，　至今Ｅｔ已是难有作为了。这就说明倘若不启用新的　因为他们相信ｌｎＰ技术的性能优势将迎合上述系统　半导体材料，无论作多大的努力今后都不可能在功　的发展需求。ＩｎＰ技术向较低频段的渗透意图无疑　率指标上出现奇迹。为此高功率应用场合除ｓ波段　对ＧａＡｓ构成了一种潜在威胁。而始终处于竞争环　以下均不得不放慢固态化进程，中功率需求则通过　境的ＧａＡｓ技术则不得不居安思危、刻意创新，以求　微波功率模块（ＭＰＭ）这种耒级为微型ＴｗＴ放大　进取。在众多创新成果中渐变组分ＨＥＭＴ　器、推动级为ＧａＡｓ功率ＭＭＩＣ的权宜方案予以满　（ＭＨＥＭＴ）是杰出的代表　ＭＨＥＭＴ的创意为下　足，但对ＭＰＭ可靠性的质疑至今仍不绝于耳。９０　述梦想的实现洞开了方便之门，即以ＧａＡｓ相对低　年代初即已起步的ＳｉＣ和ＧａＮ等宽禁带半导体材　成本获得ＩｎＰ的绝对高性能。从而造成了ＧａＡｓ站　料及微波功率器件的研究工作目前进展十分良好。　稳毫米波低端的脚跟，进而抢占毫米波高端领地的　迄今已可断言，只须借以时Ｅｔ宽禁带半导体便将以　竞争态势。ＧａＡｓ　ＰＨＥＭＴ和Ｉｎ．Ｐ　ＨＥＭＴ都采用　主角身份登上固态微波技术舞台，它们与传统材料　ＩｎＧａＡｓ作为导电沟道。增大三元合金中Ｉｎ的组分　各得其所而功率悉敌，从而引导微波系统新的～轮　将使淘道的电子迁移率和峰值饱和速度得到明显的　固态化变革。　提高，从而使器件具有较高的工作频率和增益。对　ＳｉＣ的击穿场强６倍于ＧａＡｓ，因此器件可在较　于ＧａＡｓ衬底Ｉｎ的组分严格限制在３ｏ　以下，否则　高偏压下工作，射频信号扇幅当然就比较大。尽管　将超出晶格赝配的能力造成器件性能严重衰退。但　ＳｉＣ的电子迁移率小于ＧａＡｓ，但在高电场下电子可　ＩｎＰ衬底时却不受这个限制，这就是ＩｎＰ　ＨＥＭＴ微　以获得的漂移速度超过ＧａＡｓ，因此器件的电流密　波性能比ＧａＡｓ　ＰＨＥＭＴ本质上优胜的原因。　度较大。上述两项因素决定ＳｉＣ器件具有很高的功　ＧａＡｓ　ＭＨＥＭＴ的指导思想是在沟道层与ＧａＡｓ衬　率密度。ＳｉＣ的热导率７倍于ＧａＡｓ，从而保证了在　底之间生长一个相对较厚的ＩｎＡｌＡｓ层，其Ｉｎ的组　高功率密度下沟道不发生显著的温升，因而性能稳　分从某个值　渐变至０，从而使晶格的失配得以松　定、寿命较长。ＳｉＣ静电感应晶体管（ＳＩＴ—Ｓｔａｔｉｃ　维普资讯 http://www.cqvip.com

第ｌ期　李涵袱：嫩渡半导体村　皿器件技术创新发展战略　Ｉｎｄｕｃｔｉｏｎ　ｌ＇ｒａｎｓｉｓｔｏｒ）和ＭＥＳＦＥＴ正在技术攻关，　目标是Ｘ频段以下的微波功率应用。对ＳｉＣ最为　有很宽的带隙；因而提供器件很低的产生复合噪声　电平。ＨＢＴ器件中载流子垂直界面输运，因而较少　关心的是衬雇的成本问题。当前ＳｉＣ芯片的单位面　积价格是ＧａＡｓ的２５倍，但ＳｉＣ　ＭＥＳＦＥＴ功率密　度４～５倍于ＧａＡＳ．在同样输出功率水平下ＳｉＣ芯　受到界面机制造成的噪声影响。两者结台．即ＧａＮ　ＨＢＴ作为低相噪器件应当是具有吸引力的。但此　项研发工作刚刚起步，包括ＡＩＧａＮ／ＧａＮ　ＨＢＴ和　片可同样比例小于ＧａＡｓ，因此又带来输入输出阻　抗较高，因而匹配网络简单的好处，两项收益可部分　充抵因圆片成本及工艺成本造成的额外支出。ＳｉＣ　衬底存在微管缺陷，倘若发生在沟道内或近旁则成　为器件杀手。ＳｉＣ外延厚度一致性，掺杂均匀性等　尚未处于良好的控制之下。上述原材料ｌ司题是器件　Ａ１ＧａＮ／ＳｉＣ　ＨＢＴ。目前技术攻关的重点是改进Ｐ　型掺杂，提高基区导电率，从而使器件表现出微波性　能。ＧａＮ没有本体的衬底，因为业已证明拉制ＧａＮ　单晶是劳而无功的事。通常ＧａＮ器件以兰宝石或　高阻ＳｉＣ为衬底，前者微波性能好，但后者导热能力　强。目前报导的成果多以ＳｉＣ为衬底．例如Ｇｒｅｅ的　０．２　ｍ　Ａ１ＧａＮ／ＧａＮ／ＳｉＣ　ＨＥＭＴ，厂ｍ　一１０７　ＧＨｚ，　高成品率重复生产的主要障碍，因而成为当前技术　攻关的重中之重。Ｃｒｅｅ公司声称他们生产的３　ＳｉＣ　圆片具有相对较低的缺陷密度．该公司还率先投产　跨导达２６０　ｍＳ／ｍｒｆｌ、最大电流密度为１．２　Ａ／ｍＩｉｒｌ。　Ｃｒｅｅ的最新报导为ＧａＮ　ＨＥＭＴ　１０　ＧＨｚ下功率密　度达到６．９　Ｗ／ｒａｍ、增益为９　ｄＢ、而ＰＡＥ为５１　。　了４　圆片。Ｃｒｅｅ推出的第一个民用ＳｉＣ产品代号　为ＣＲＦ２００１０，满足ＩＳ９５（ＣＤＭＡ）和第三代（ＷＣＤ　ＭＡ）移动通信系统的线性要求。本年度Ｃｒｅｅ还将　推出３Ｏ　ｗ和６０　ｗ的ＳｉＣ功率晶体管供基站使用。　Ｃｒｅｅ的目标是２　ＧＨｚ上下频段ＳｉＣ　ＭＥＳＦＥＴ在价　ＧａＮ技术尚须进一步开发才能走向成熟，已经注意　到ＧａＮ外延材料存在严重的陷阱效应．这种情况　ＧａＡｓ也曾遇到过。当前主攻方向是弄清它们的机　理，从而消除它们的影响。　格上达的与Ｓｉ　ＬＤＭＯＳ可竞争的程度，技术措施包　括采用大直径圆片和降低封装成本等等。　ＧａＮ具有更强的微波全频段应用潜能。ＧａＮ　系列中的Ａ１ＧａＮ击穿场强大于ＳｉＣ，是ＧａＡｓ的７　倍。Ａ１ＧａＮ／ＧａＮ天然的压电效应加上异质结的作　关于器件发展战略方面的讨论本文仅限于传统　器件或成熟器件，如ＧａＡｓ　ＭＥＳＦＥＴ、ＨＥＭＴ和　ＨＢＴ。因为只有对它们才能谈得上以可接受价格　提供满意性能的发展目标。既然是传统器件，则在　工作机理上不可能再有重大突破。所谓的创新主要　是在材料组分、纵横向结构及部分生产工艺等环节　上所能做的一些微妙的调整。虽然上述动作均称不　上是大手笔，但对发挥器件的潜能、改善工艺成品率　及降低成本却可能带来不同凡响的收益。这类发生　在产品行将成熟时期的技术创新多半会令业内科学　家们感到乏味，但企业家和一线技术人员却乐此不　疲。　用导致二维电子气，且密度２～４倍于ＧａＡｓ。高载　流子密度加高击穿场强导致高的功率密度，理论上　应ｌＯ倍于ＧａＡｓ。与此同时器件又具有相似或更　高的效率、带宽和输出阻抗。相比之下ＳｉＣ却无法　借助异质结来增强器件性能，因此频率和效率特性　均大为逊色。　效率是军用微波发射前端的关键。为提高效率　功放工作于Ｂ类推挽模式是必要的。理论证明Ｂ　类推挽模式将使线性区效率从５ｏ％提高至７８．５　。　推挽构型保证了信号偶次谐波的平衡抵消，其结果　在上述三类器件中ＭＥＳＦＥＴ和ＨＥＭＴ技术　上相对成熟，ＨＢＴ次之；就电路应用而言低噪声器　件较为成熟，而功率器件次之。自从ＨＥＭＴ诞生　以来，ＭＥＳＦＥＴ的地位日渐衰落，在人们心目之中　它已经不再是一种全能的微波固态器件。低噪声放　大器同时要求高增益，噪声最小与增益最大两者的　偏置条件是矛盾的，但相对而言ＨＥＭＴ器件表现　出较好的相容性，因而能提供较宽的设计裕度。在　功率应用场台ＭＥＳＦＥＴ同样不是最佳的选择．尤　其是当频率较高时。工作频率提高时器件栅长应缩　不仅对提高效率有利，而且使线性得到显著改善，从　而满足了宽带多功能射频系统的线性要求。由于受　耐压和导热性能的限制ＧａＡｓ器件难以胜任Ｂ类放　大模式的电气环境．但ＧａＮ器件却不受这个限制。　ＧａＮ器件不仅能满足未来射频系统对功率、效率和　线性的要求，而且还有望提供更大的带宽和更低的　噪声平台。在同等功率水平下ＧａＮ器件允许使用　较窄的栅宽，从而使器件栅源之间的寄生电容成比　例下降，或者说使器件的带宽成比例提高。ＧａＮ具　维普资讯 http://www.cqvip.com

电子机械工程　第１８卷　小，导电沟道相应的也较薄。为保持一定的电流容　从有利于器件频率特性改善。ＧａＩｎＰ发射极还有利　量沟道必须重掺杂，结果将导致较低的击穿场强。　于提高器件性能的热稳定性。允许器件工作于较大　综上所述本章以下部分将局限于功率ＨＥＭＴ和　的电流或较高的结温状态。第三条整改措施是竭力　ＨＢＴ近期发生的整改措施。　降低器件的寄生电容，特别是发射极与基极之间的　ＡＩＧａＡｓ／ＧａＡｓ　ＨＥＭＴ开创了利用异质结优　电容，显著提高器件的工作频率。ＵＣＳＢ演示了一　化场效应晶体管性能的先河。尽管受到异质结导带　种双面加工技术，用在ＩｎＰ　ＨＢＴ上，测试结果为　不连续性ＡＥｃ较小的限制，导电沟道的载流子浓度　＞１０００　ＧＨｚ、，Ｔ＞２００　ＧＨｚ。据称该技术也可移植　较小，但这种器件在２ＧＨｚ下也能输出１００　Ｗ左右　到ＧａＡｓ　ＨＢＴ上，但笔者以为该技术要求把器件从　的功率。为了进一步提高器件的电流容量可选择以　原衬底上剥离，再转移到其他合适的衬底上，设想虽　下两条整改措施：一是采用新材料，例如把ＧａＡｓ沟　妙，但批生产和低成本目标恐一时难以圆梦。　道换成Ｉ　Ｇａ　Ａｓ，ｘ＜０．３通常为０．２左右。该　器件称为赝配高电子迁移率晶体管（ＰＨＥＭＴ），载　参考文献　流子浓度可提高４倍；二是采用复合沟道，该器件称　ｌ　Ｔｈｉｎｇｓ　ｔｏ　Ｗａｔｃｈ　ｉｎ　ｌｇｇｇ，Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ　Ｊａｎ・　为异质结场效应晶体管（ＨＦＥＴ）。ＨＦＥＴ的掺杂沟　ｕａｒｙ／Ｆｅｂｒｕａｒｙ　１９９９．２８　道与常规ＭＥＳＦＥＴ相似，非掺杂掏道利用导带不　２李碡秋．化台物半导体外延材料发展现状及迈人新世纪　连续性形成的三角势阱对载流子约束效应产生的二　对策．中国工程院咨询项目，１９９９　维电子气（２ＤＥＧ），机理类似ＨＥＭＴ。ＨＦＥＴ提高　３　Ｇｅｏｒｇａｋｉｌａｓ　ｅｔ　ａ１．．Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ　Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ　ｏｆ　ＧａＡｓ－－ｏｎ　了工作电流，但并不以牺牲击穿性能为代价，因而具　一＆ＭＥｓＦＥＴｓ　ｗｉｔｈ　Ｓｉ　Ｂｕｆｆｅｒ　Ｌａｙｅｒｓ　ＩＥＥＥ　Ｔｒａｍ　ｏｎＥ．　有较好的功率特性。上述两条整改措施是在提高工　ｎ，１９９３，４０（３）．５０７　作电流的角度上作出的，而另一角度则是改善器件　４　Ｍ．Ｍｅｙｅｒ．６　ＧａＡｓ　Ｇａｉｎｓ　Ｇｒｏｕｎｄ．Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　Ｓｅｍｉｃｏｎ－　ｄｕｃｔｏｒ　Ｍａｒｃｈ　１９９９．３３　的击穿特性。改善的目标是消除器件结构上的缺　５　Ｅ．Ｄ．Ｃｏｈｅｎ．Ｔｒｅｎｄｓ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｄｅｖｅｌ０ｐｍｅｎｔ　ｏｆ　ＭＭＩｃ３　ａｎｄ　陷，避免在导电沟道的某些区段发生过渡的电场集　Ｐａｃｋａｇｅｓ［ｏｒ　Ａｃｔｉｖｅ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃａｌｌｙ　Ｓｃａｎｎｅｄ　Ａｒｒａｙｓ（ＡＷ・　中，因而提前达到材料介电击穿极限场强。整改措　ＳＡｓ）．】ＥＥＥ　Ｉｍｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ　ｏｎ　Ｐｈａｓｅｄ　Ａｒｒａｙ　施集中在栅槽结构层上。如二次挖槽、不对称挖槽和　Ｓｙｓｔｅｍｓ　ａｎｄ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，１９９６．１　栅源之间设置电场调节薄片等等。ＨＥＭＴ器件栅　６　Ｈ　Ａ．Ｋｏｐｐ．Ｘ—Ｂａｎｄ　Ｔｒａｎｓｍｉｔ／Ｒｅｃｅｌｖｅ　Ｍｏｄｕｌｅ　Ｏｖｅｒ－　下通常采用重掺杂．从而导致漏电流对刻蚀深度强　Ｊｅｗ。ＩＥＥＥ　ＭＴＴ—ｓ　Ｄｉｇｅｓｔ。２０００．７０５　烈的依赖。利用刻蚀终止层技术将使临界栅槽刻蚀　７　Ｙ．Ｃ．ｃｈｅｎ　ｅｔ　ａ１．．Ｓｕｒｖｉｖａｂｉｌｉｔｙ　ｏｆ　ＩｎＰ　ＨＥＭＴ　ｎ　ｃｅ３　操作变得极为便和】，从而为器件特性的一致性及高　ａｎｄ　ＭＭ１Ｃｓ　ｕｎｄｅｒ　Ｈｉｇｈ　ＲＦ　Ｉｎｐｕｔ　Ｄｒｉｖｅ．ＩＥ：ＥＥ　ＭＴＴ—ｓ　成品率提供了确实的保障。目前ＩｎＧａＰ被普遍接　Ｄｉｇｅｓｔ．２０００．１９１７　受为最佳的刻蚀终止层材料，该层位于１３．　ＧａＡｓ接　８　Ｍ．Ｍｅｙｅｒ．Ｔｒｅｎｄｉｎ　ＩｎＰＷａｔｅｒ　Ｓｉｚｅｓ．Ｃｏｍｐｏｕｎｄ　Ｓｅｍｉｃｏｎ－　触层和ＡＩＧａＡｓ肖特基势垒层中间，厚度仅３５Ａ左　ｄｕｃｔｏｒ　ｓ（３），１９９９．２８　右，ＧａＡｓ比ＩｎＧａＰ的刻蚀选择性轻易便可达到１５０　９　ｃ．＆Ｗｈｅｌ￣ｎ　ｅｔ　ａ１．．ＧａＡｓ　Ｍｅｔａｍｏｒｐｈｉｃ　ＨＥＭＴ（ＭＨＥＭＴ）：　Ｔｈｅ　Ｉｄｅａｌ　Ｃａｎｄｉｄａｔｅ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ　Ｐｅｒ｜ｏｒｍａｎｃｅ，Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ　：１的程度。　Ｗａｖｅ　Ｌｏｗ　Ｎｏｉｓｅ　ａｎｄ　Ｐｏｗｅｒ　Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，２０００　ＧａＡｓ　强化ＨＢＴ性能及可靠性的技术整改措施当前　ＭＡＮＴＥＣＨ．２３７　主要表现在三个方面。一是追随　器件的发展轨　迹缩小器件的横向尺寸，此举不仅可提高最高振荡　频率，　，而且对降低器件功耗．提高效率极为有利。　作者简介：李涵秋，男．离工，先后从事无线电通　二是启用较宽禁带的ＧａＩｎＰ取代ＡＩＧａＡｓ作为发　信固态元器件厦交通电子工程设计与研究工作。　射极　由于ＧａｌｎＰ提供的价带不连续性ｋ，Ｅｖ较大，　因而载流子注Ａ效率更高，基区掺杂可进一步加重。