化合物半导体材料及器件的应用进展
2010-12-20 15:46:09
来源：半导体器件应用网
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引言
按化学组分分类，化合物半导体是由两种或两种以上元素以确定原子配比形成的化合物，并具有确定的 禁带宽和能带结构等半导体性质。通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体。主要是二元化合物，其次是三元和多元化合物及某些稀土化合物。
目前已经得到实用的二元化合物半导体材料只有部分Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族及Ⅳ-Ⅳ族化合物等。三元无机化合物半导体材料迄今在工业上得到应用的则更少。
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是元素周期表中ⅢA族元素B、A1、Ga、In和VA族元素N、P、As、Sb所化合物半导体材料及为GaAs、InP、GaN、GaP、InSb和GaSb、InAs及它们所形成的若干种固溶体。
Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料指元素周期表中ⅡB族元素Zn、Cd、Hg与VIA族元素O、S、Se、Te所形成的二元化物半导体材料。
Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体材料指元素周期表中ⅣA族元素Ge、Sn、Pb与VIA族元素S、Se、O、Te所形成的部分二元化合物。
半导体材料是通过制备各种半导体器件（和电路）而得以实际应用的。
在第十四届全国化合物半导体材料、微波器件和光电器件学术会议上，对GaAs和InP基材料及器件、氮化物材料及器件、ZnO、SiC材料及器件、Si基和GeSi材料及器件、固体薄膜材料及器件等和设计、工艺和仪器等专题进行交流。现就主要化合物半导体材料及器件的应用阶综述如下。
2 砷化-镓（GaAs）
GaAs是继Si之后发展最快的第二化化合物半导体材料。是一种性能优异的窄禁带半导体材料，被广泛的用于各种光电子器件中。
GaAs单晶是目前生产工艺最成熟、产量最大、应用面最广的化合物半导体材料，是重要的半导体光电子材料（主要采用电性单晶衬底），和重要的微电子材料（主要采用半绝缘单晶衬底）。
（1）GaAs属窄禁带半导体材料，电子迁移率和饱和速度高，所制器件比相应Si器件工作速度快，工作频率高，工作温度高；这使GaAs材料是现代超高速电子器件和电路的重要材料。很容易制备出准非掺杂半绝缘GaAs单晶（SIGaAs单晶），其电阻率可达107~109-2.cm。它是理想的微波传输介质，在IC加工中不必制作另外的绝缘层，这既简化了加工过程，又减少了寄生电容而有利于提高器件工作速度和频率。
（2）目前GaAs基于IC只占整个IC市场的5%左右，但在1.2GHz以上的高频、高速IC中，GaAs基IC占商业市场的70%以上。自1974年GaAs高速IC问世以来，其性能不断提高，应用领域不断扩大，已由军工应用为主发展到以民间为主。
GaAsIC与SiIC相比，其主要特点是高频率、高速度、大功率、低噪声和低功耗；工作频率一般在5~10GHz以上。
目前GaAsIC中，因金属-半导体场效应晶体管（MESFET）工艺成熟、成本较低而占主导地位，一般用于1~15GHz频率。GaAs器件高电子迁移率晶体管（HEMT）和赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）在微波、毫米波频段具有低噪声、高功率增益、低功耗、高效率等特点已制出100GHz以下、性能良好的低噪声HEMT器件。摩托罗拉公司等研制的AlGaAs/InGaAs/GaAs-PHEMT单片微波集成电路（MMIC）功率，功率放大器，在8~14GHz频段，输出功率3.5W，功率附加效率（PAE）为49.5%，适用于宽带相控阵T/R组件。
3磷化铟（InP）
InP是一种重要的光电子和微电子基础材料，用于制造光纤通信用的激光器、探测器、网络光通信用的集成电路以及高频微波，毫未波器件等。
InP 有某些优于GaAs的性质：①电子峰值漂移速度为比的高；②热导率为比的高，所制器件有更大的功率输出；③器件比同类器件有更小的功耗和更低的噪声。不仅是重要的半导体光电子材料（主要采用导电性衬底），也是研制超高速电子器件和光电集成电路的重要基础材料（用半绝缘单晶衬底）。
（2）目前，商品高速芯片的fT为110GHz，可用于10Gbit/s的光纤通信系统。对于40Gbit/s的系统中需要用fT>150GHz的器件，因此要用到InGaAs/InP，和GaAsSb/InP异质结双极晶体管(HBT)器件。
InP基HBT相对于GaAs基HBT的优点是：开通电压低、功耗小。InPHBT有较低的表面复合速率（比GaAs器件低三个数量级），可使它在较小电流密度下获得较大增益，它还易于减小电流密度下获得较大增益，它还易于减小发射极尺寸而进行大规模集成，并进一步降低功耗。加之它的抗辐射性能更加，很适合于卫星和军工应用。
以HBT为有源器件的InPIC可靠性也很好，已制出在电流密度70000A/CM2时，平均无故障工作时间107h的InPIC。一些著名的化合物半导体微件公司，如Vitesse、TRW公司等均已建立了采用直径100mmSIINP衬底的器件及电路生产线。2000年研制出fT、fmax分别为190GHz、250GHz的单异质结双极晶体管（SHBT）和fT、fmax早已分别为150GHz、300GHz的双异质双极晶体管(DHBT)。
（3）InP基HEMT的fT、fmax早已分别达到340GHz和600GHz，并已成为毫米波高端的支柱产品。已制出以InP基HEMT为有源器件的单卡微波集成电路(MMIC)、低噪声放大器(LAN)和功率固态MMIC放大器等。
（4）中国电子科技集团公司公司第十三研究所随着光纤通信和光互连系统向宽带大容量方向发展，采用InP/InAaAs HBT与PIN光探测器单片集成方案，在国内首次实现了1.55μm波长HBT/PIN光接收光电集成电路(OEIC)，在2.5Gbit/s和3Gbit/s传输速率下获得了清晰的眼图。
该所采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术和常规发射极基极自对准结构技术，设计制作了InP/InGaAs/InP双异质结双结晶体管(DHBT)器件，对于发射极尺寸为1.5μm×10μm的器件小电流直流增益β约25，集电极-发射极击穿电压Vceo≥10V，截止频率fT和最高振荡频率fmax分别为50GHz和55GHz。
（5）中国科学院上海微系统与信息技术研究所报导了中红外波段半导体光源，在波长覆盖4.8~10μm基于带内子带跃迁的InP基量子级联激光器(QCL)，和2.0~2.1μmGaSb基带间跃迁GaSb基多量子阱激光器的研究结果。
该所对外延材料结构设计和气态源分子束外延（GSMBE）生长工艺，研制出φ2InP基HBT和φ4InGaP/GaAs HBT器件与电路。达到了目前采用国产外延材料研制的最好水平。
该所通过引入新型的激光器波导和光栅结构，同时获得合适的光耦合系数和较低的波导损耗，从而得到了室温工作且阈值电流密度极低，波长7.7μm的分布反馈量子级联激光器，作为中红外激光光源，应用于高灵敏度的气体检测。
（6）中国科学院长春光学精密机械与物理研究所采用液相金属有机化合物化学气相沉积（LPMOCVD）技术生长了In0.53Ga0.47As/InP红外探测器器件结构材料，利用半导体平面工艺制作了InGaAs红外探测器单元和线列器件，光谱响应范围0.90~1.70μm，在1.95V偏压下，暗电流为5.75×10-5A，在反向偏压为-5V时，电容为6.96×10-12F，理论计算量子效率为73%，InGaAs探测器的波段探测率为1012cmHz1/2W-1。
4 氮化镓
GaN作为第三代宽带半导体的典型代表，具有禁宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高，抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优异特性。
（1）自1993年研制成功GaN金属-半导体场效应晶体管(MESFET)及AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)以来，已成功研制出异质结场效应晶体管(HFET)、结型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、异质结双极晶体管(HBT)、整流二极管等多种GaN基电子器件。
GaN基电子器件的主要特点是：工作温度高，已制出工作温度达750℃的GaN基HEMT。工作偏压较高（高于InP基HEMT）以及具有较好的线性。
GaN基材料是理想的高温、高频、大功率微波器件材料，其应用领域极为广泛，有望在航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化控制、雷达与通信、汽车电子等方面发挥重要的作用。
（2）近来美国、日本各大公司纷纷推出移动通信基站用的大功率产品，而与此同时美国国防光期研究计划局（DARPA）支持的军用GaNHEMT正在艰苦攻关。
2005年下半年，美国Nitronex公司首先宣布突破了Si衬底上的GaN HEMT功率管的技术，并陆续推出了工作于2.1GHz第三代移动通信(3G)频段的1402GaN HEMT大功率管系列和工作于2.5GHz欧亚WiMAX频段50W系列大功率管。紧接着，日本Eudyna公司（即原来的富士通公司）在2005年四季度一口气推出了2.1GHz3G频段180W系列、2.6GHz WiMAX频段180W系列、3.5GHzWiMAX频段180W系列等12种大功率管，这些功率管来采用了碳化硅（SiC）衬底上的GaN HEMT工艺。
（3）中国电子科技集团公司第十三研究所利用SiC衬底上的ALGaN/GaN异质结材料，或功研制了工作X波段的HEMT器件，器件通过结合凹槽栅和场调制板两者的优点，有效抑制了电流崩塌，拼提高了器件的击穿电压，提高了器件微波功率特性。所研制的1mm栅宽器件在8GHz、34V工作电压下输出功率为9.05W，功率密度达到了9.05W/mm。
中国科学院微电子研究所在蓝宝石补底上采用MOCVD外延生长的AlGaN/GaN HEMT结构，实现了栅宽为1.2mm的微波功率管。其栅长为0.8μm。该器件输出电流密度达到0.9A/mm，跨导250ms/mm，击穿电压大于100V，截止频率fT达到24GHz，最大振荡频率fmax为30GHz，在X波段，8GHz下连续测试得功率增益5dB，输出功率4W，连续工作30分钟后，输出功率下降0.1dBm。
（5）北京大学物理学院通过AlN插入层技术，成功生长出高Al组分的AlGaN材料，优化了AlGaN材料上的欧姆接触形成条件，而且还优化了Ni/Au肖特基接触，提高了它的透射率，从而成功研制出一系列不同截止波长的AlGaN紫外光肖特基型探测器。其中器件最短的截止波长为307nm，具有陡峭的吸收边，紫外/可见光达到103以上。
按化学组分分类，化合物半导体是由两种或两种以上元素以确定原子配比形成的化合物，并具有确定的 禁带宽和能带结构等半导体性质。通常所说的化合物半导体多指晶态无机化合物半导体。主要是二元化合物，其次是三元和多元化合物及某些稀土化合物。
目前已经得到实用的二元化合物半导体材料只有部分Ⅲ-Ⅴ族、Ⅱ-Ⅵ族、Ⅳ-Ⅵ族及Ⅳ-Ⅳ族化合物等。三元无机化合物半导体材料迄今在工业上得到应用的则更少。
Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体是元素周期表中ⅢA族元素B、A1、Ga、In和VA族元素N、P、As、Sb所化合物半导体材料及为GaAs、InP、GaN、GaP、InSb和GaSb、InAs及它们所形成的若干种固溶体。
Ⅱ-Ⅵ族化合物半导体材料指元素周期表中ⅡB族元素Zn、Cd、Hg与VIA族元素O、S、Se、Te所形成的二元化物半导体材料。
Ⅳ-Ⅵ族化合物半导体材料指元素周期表中ⅣA族元素Ge、Sn、Pb与VIA族元素S、Se、O、Te所形成的部分二元化合物。
半导体材料是通过制备各种半导体器件（和电路）而得以实际应用的。
在第十四届全国化合物半导体材料、微波器件和光电器件学术会议上，对GaAs和InP基材料及器件、氮化物材料及器件、ZnO、SiC材料及器件、Si基和GeSi材料及器件、固体薄膜材料及器件等和设计、工艺和仪器等专题进行交流。现就主要化合物半导体材料及器件的应用阶综述如下。
2 砷化-镓（GaAs）
GaAs是继Si之后发展最快的第二化化合物半导体材料。是一种性能优异的窄禁带半导体材料，被广泛的用于各种光电子器件中。
GaAs单晶是目前生产工艺最成熟、产量最大、应用面最广的化合物半导体材料，是重要的半导体光电子材料（主要采用电性单晶衬底），和重要的微电子材料（主要采用半绝缘单晶衬底）。
（1）GaAs属窄禁带半导体材料，电子迁移率和饱和速度高，所制器件比相应Si器件工作速度快，工作频率高，工作温度高；这使GaAs材料是现代超高速电子器件和电路的重要材料。很容易制备出准非掺杂半绝缘GaAs单晶（SIGaAs单晶），其电阻率可达107~109-2.cm。它是理想的微波传输介质，在IC加工中不必制作另外的绝缘层，这既简化了加工过程，又减少了寄生电容而有利于提高器件工作速度和频率。
（2）目前GaAs基于IC只占整个IC市场的5%左右，但在1.2GHz以上的高频、高速IC中，GaAs基IC占商业市场的70%以上。自1974年GaAs高速IC问世以来，其性能不断提高，应用领域不断扩大，已由军工应用为主发展到以民间为主。
GaAsIC与SiIC相比，其主要特点是高频率、高速度、大功率、低噪声和低功耗；工作频率一般在5~10GHz以上。
目前GaAsIC中，因金属-半导体场效应晶体管（MESFET）工艺成熟、成本较低而占主导地位，一般用于1~15GHz频率。GaAs器件高电子迁移率晶体管（HEMT）和赝配高电子迁移率晶体管（PHEMT）在微波、毫米波频段具有低噪声、高功率增益、低功耗、高效率等特点已制出100GHz以下、性能良好的低噪声HEMT器件。摩托罗拉公司等研制的AlGaAs/InGaAs/GaAs-PHEMT单片微波集成电路（MMIC）功率，功率放大器，在8~14GHz频段，输出功率3.5W，功率附加效率（PAE）为49.5%，适用于宽带相控阵T/R组件。
3磷化铟（InP）
InP是一种重要的光电子和微电子基础材料，用于制造光纤通信用的激光器、探测器、网络光通信用的集成电路以及高频微波，毫未波器件等。
InP 有某些优于GaAs的性质：①电子峰值漂移速度为比的高；②热导率为比的高，所制器件有更大的功率输出；③器件比同类器件有更小的功耗和更低的噪声。不仅是重要的半导体光电子材料（主要采用导电性衬底），也是研制超高速电子器件和光电集成电路的重要基础材料（用半绝缘单晶衬底）。
（2）目前，商品高速芯片的fT为110GHz，可用于10Gbit/s的光纤通信系统。对于40Gbit/s的系统中需要用fT>150GHz的器件，因此要用到InGaAs/InP，和GaAsSb/InP异质结双极晶体管(HBT)器件。
InP基HBT相对于GaAs基HBT的优点是：开通电压低、功耗小。InPHBT有较低的表面复合速率（比GaAs器件低三个数量级），可使它在较小电流密度下获得较大增益，它还易于减小电流密度下获得较大增益，它还易于减小发射极尺寸而进行大规模集成，并进一步降低功耗。加之它的抗辐射性能更加，很适合于卫星和军工应用。
以HBT为有源器件的InPIC可靠性也很好，已制出在电流密度70000A/CM2时，平均无故障工作时间107h的InPIC。一些著名的化合物半导体微件公司，如Vitesse、TRW公司等均已建立了采用直径100mmSIINP衬底的器件及电路生产线。2000年研制出fT、fmax分别为190GHz、250GHz的单异质结双极晶体管（SHBT）和fT、fmax早已分别为150GHz、300GHz的双异质双极晶体管(DHBT)。
（3）InP基HEMT的fT、fmax早已分别达到340GHz和600GHz，并已成为毫米波高端的支柱产品。已制出以InP基HEMT为有源器件的单卡微波集成电路(MMIC)、低噪声放大器(LAN)和功率固态MMIC放大器等。
（4）中国电子科技集团公司公司第十三研究所随着光纤通信和光互连系统向宽带大容量方向发展，采用InP/InAaAs HBT与PIN光探测器单片集成方案，在国内首次实现了1.55μm波长HBT/PIN光接收光电集成电路(OEIC)，在2.5Gbit/s和3Gbit/s传输速率下获得了清晰的眼图。
该所采用金属有机化合物化学气相沉积(MOCVD)技术和常规发射极基极自对准结构技术，设计制作了InP/InGaAs/InP双异质结双结晶体管(DHBT)器件，对于发射极尺寸为1.5μm×10μm的器件小电流直流增益β约25，集电极-发射极击穿电压Vceo≥10V，截止频率fT和最高振荡频率fmax分别为50GHz和55GHz。
（5）中国科学院上海微系统与信息技术研究所报导了中红外波段半导体光源，在波长覆盖4.8~10μm基于带内子带跃迁的InP基量子级联激光器(QCL)，和2.0~2.1μmGaSb基带间跃迁GaSb基多量子阱激光器的研究结果。
该所对外延材料结构设计和气态源分子束外延（GSMBE）生长工艺，研制出φ2InP基HBT和φ4InGaP/GaAs HBT器件与电路。达到了目前采用国产外延材料研制的最好水平。
该所通过引入新型的激光器波导和光栅结构，同时获得合适的光耦合系数和较低的波导损耗，从而得到了室温工作且阈值电流密度极低，波长7.7μm的分布反馈量子级联激光器，作为中红外激光光源，应用于高灵敏度的气体检测。
（6）中国科学院长春光学精密机械与物理研究所采用液相金属有机化合物化学气相沉积（LPMOCVD）技术生长了In0.53Ga0.47As/InP红外探测器器件结构材料，利用半导体平面工艺制作了InGaAs红外探测器单元和线列器件，光谱响应范围0.90~1.70μm，在1.95V偏压下，暗电流为5.75×10-5A，在反向偏压为-5V时，电容为6.96×10-12F，理论计算量子效率为73%，InGaAs探测器的波段探测率为1012cmHz1/2W-1。
4 氮化镓
GaN作为第三代宽带半导体的典型代表，具有禁宽度大、击穿电场高、电子饱和漂移速度高，抗辐射能力强和良好的化学稳定性等优异特性。
（1）自1993年研制成功GaN金属-半导体场效应晶体管(MESFET)及AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管(HEMT)以来，已成功研制出异质结场效应晶体管(HFET)、结型场效应晶体管(JFET)、双极结型晶体管(BJT)、金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)、异质结双极晶体管(HBT)、整流二极管等多种GaN基电子器件。
GaN基电子器件的主要特点是：工作温度高，已制出工作温度达750℃的GaN基HEMT。工作偏压较高（高于InP基HEMT）以及具有较好的线性。
GaN基材料是理想的高温、高频、大功率微波器件材料，其应用领域极为广泛，有望在航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化控制、雷达与通信、汽车电子等方面发挥重要的作用。
（2）近来美国、日本各大公司纷纷推出移动通信基站用的大功率产品，而与此同时美国国防光期研究计划局（DARPA）支持的军用GaNHEMT正在艰苦攻关。
2005年下半年，美国Nitronex公司首先宣布突破了Si衬底上的GaN HEMT功率管的技术，并陆续推出了工作于2.1GHz第三代移动通信(3G)频段的1402GaN HEMT大功率管系列和工作于2.5GHz欧亚WiMAX频段50W系列大功率管。紧接着，日本Eudyna公司（即原来的富士通公司）在2005年四季度一口气推出了2.1GHz3G频段180W系列、2.6GHz WiMAX频段180W系列、3.5GHzWiMAX频段180W系列等12种大功率管，这些功率管来采用了碳化硅（SiC）衬底上的GaN HEMT工艺。
（3）中国电子科技集团公司第十三研究所利用SiC衬底上的ALGaN/GaN异质结材料，或功研制了工作X波段的HEMT器件，器件通过结合凹槽栅和场调制板两者的优点，有效抑制了电流崩塌，拼提高了器件的击穿电压，提高了器件微波功率特性。所研制的1mm栅宽器件在8GHz、34V工作电压下输出功率为9.05W，功率密度达到了9.05W/mm。
中国科学院微电子研究所在蓝宝石补底上采用MOCVD外延生长的AlGaN/GaN HEMT结构，实现了栅宽为1.2mm的微波功率管。其栅长为0.8μm。该器件输出电流密度达到0.9A/mm，跨导250ms/mm，击穿电压大于100V，截止频率fT达到24GHz，最大振荡频率fmax为30GHz，在X波段，8GHz下连续测试得功率增益5dB，输出功率4W，连续工作30分钟后，输出功率下降0.1dBm。
（5）北京大学物理学院通过AlN插入层技术，成功生长出高Al组分的AlGaN材料，优化了AlGaN材料上的欧姆接触形成条件，而且还优化了Ni/Au肖特基接触，提高了它的透射率，从而成功研制出一系列不同截止波长的AlGaN紫外光肖特基型探测器。其中器件最短的截止波长为307nm，具有陡峭的吸收边，紫外/可见光达到103以上。
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