第五章射頻化合物半導體技術

1、射頻射頻III-V族化合物族化合物半導體技術半導體技術2003.10成都成都內內 容容 限限 定定化合物化合物：元素半導體：元素半導體（Ga,Te,Se,Ge,Si.)III-V族族：SiGe、SiC、II-VI族半導體族半導體射頻（射頻（RF）：光、熱、敏感、低頻：光、熱、敏感、低頻實用性成熟實用性成熟：低維結構（量子點、量子線、量：低維結構（量子點、量子線、量子諧振隧穿子諧振隧穿）ABCS（銻化物基半導體）（銻化物基半導體）內 容III-V化合物半導體特性的吸引力與發(fā)展歷程化合物半導體特性的吸引力與發(fā)展歷程微波應用對半導體特性潛力的挖掘微波應用對半導體特性潛力的挖掘器件設計：器件設計：“摻

2、雜工程摻雜工程”“能帶工程能帶工程”材料制造技術：基礎材料材料制造技術：基礎材料“功能材料功能材料”III-V寬禁帶高溫半導體技術寬禁帶高溫半導體技術III-V化合物微波單片集成電路技術化合物微波單片集成電路技術結論結論III-V化合物半導體的特性化合物半導體的特性優(yōu)勢與發(fā)展歷程優(yōu)勢與發(fā)展歷程_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V化合物半導體的主要吸引力化合物半導體的主要吸引力 材料的多元性（二元、三元及多元）：大大地提高材料的多元性（二元、三元及多元）：大大地提高器件設計的靈活性與性能優(yōu)化的潛力器件設計的靈活性與性能優(yōu)化的潛力 更高品質的載流子輸

3、運特性：滿足高頻、高速器件更高品質的載流子輸運特性：滿足高頻、高速器件的基本要求的基本要求 直接能隙半導體：光電子發(fā)射直接能隙半導體：光電子發(fā)射 高頻、高速、微波、光電應用電路的一體化：對全高頻、高速、微波、光電應用電路的一體化：對全功能性材料的追求功能性材料的追求單片化多功能集成電路技術單片化多功能集成電路技術 _NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V化合物半導體發(fā)展歷程化合物半導體發(fā)展歷程 化合物半導體的歷史與元素半導體同樣悠久化合物半導體的歷史與元素半導體同樣悠久 發(fā)展遇到的最大困難是材料生長的困難發(fā)展遇到的最大困難是材料生長的困難 化合物材料

4、技術的發(fā)展（晶片直徑、外延技術）化合物材料技術的發(fā)展（晶片直徑、外延技術）直接推動新原理器件的誕生與應用直接推動新原理器件的誕生與應用 中國的中國的III-V化合物半導體技術發(fā)展始于化合物半導體技術發(fā)展始于1960年代前期年代前期_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEGaAs、InP單晶體生長的難點單晶體生長的難點 合成與生長：熔點溫度下高揮發(fā)（合成與生長：熔點溫度下高揮發(fā)（As、P）高蒸汽壓、純化學配比高蒸汽壓、純化學配比 高溫生長高溫生長坩堝沾污坩堝沾污 高溫高壓高溫高壓不完整性：缺陷、位錯不完整性：缺陷、位錯GaAs（InP）單晶拉制工藝：）單晶拉制工

5、藝：LEC、VB、VGF機械強度機械強度晶片加工與器件制造工藝困難晶片加工與器件制造工藝困難_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V半導體材料技術的發(fā)展直接推動半導體材料技術的發(fā)展直接推動器件與應用的進程：例器件與應用的進程：例 外延技術（外延技術（MBE、MOCVD）的發(fā)展直接推動化合物新型器件）的發(fā)展直接推動化合物新型器件 的發(fā)展的發(fā)展：HBT 1948 Schokley 提出不同半導體材料形成異質結雙極晶體管的原理提出不同半導體材料形成異質結雙極晶體管的原理 1957 Kroemer 提出完整的提出完整的HBT設計理論設計理論 1977 Kon

6、nzai等制造出第一個真正的等制造出第一個真正的GaAs/AlGaAs HBTHEMT 1978 Dingle 用用MBE生長出能產生生長出能產生2DEG的異質結構的異質結構 1980 Mimura等制造出第一個等制造出第一個AlGaAs/GaAs HEMT 材料合成與單晶拉制的困難制約著化合物器件與集成技術的發(fā)材料合成與單晶拉制的困難制約著化合物器件與集成技術的發(fā)展展： 1967 GaAs MESFET（單晶拉制技術的完善：（單晶拉制技術的完善：1965 LEC） 1976 GaAs MMIC（1-2英吋直徑單晶拉制及晶片加工：英吋直徑單晶拉制及晶片加工：1970s初）初）_NANJING

7、ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V化合物半導體技術發(fā)展里程碑化合物半導體技術發(fā)展里程碑 晶體合成與單晶拉制：晶體合成與單晶拉制： GaAs：1956；InP：1968 器件研究：器件研究：GaAs GUNN 1963 三極管：三極管：GaAs MESFET 1970 異質結三極管：異質結三極管：GaAs：HBT 1977；HEMT 1980；PHEMT 1985 InP：HEMT 1987 單片集成電路（單片集成電路（MMIC）：）：GaAs 1976；InP 1990 寬禁帶半導體三極管器件：寬禁帶半導體三極管器件：GaN HEMT 1993 寬禁帶寬禁帶MM

8、IC：GaN HEMT MMIC 2000_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE我國我國III-V化合物半導體技術的歷程化合物半導體技術的歷程 GaAs單晶拉制：單晶拉制：1961（1959） GaAs GUNN二極管研制：二極管研制：1964（1963） GaAs MESFET研制：研制：1975（1970） GaAs MESFET MMIC研制：研制：1980（1976） GaAs基基HEMT研制：研制：1984（1980） GaAs材料合成試驗：材料合成試驗：1959（1956） GaN HEMT研制：研制：1999（1993）RF與微波器件的工作機理

9、推動對與微波器件的工作機理推動對 III-V半導體特性的深入挖掘利用半導體特性的深入挖掘利用_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE射頻應用對半導體特性、效應的射頻應用對半導體特性、效應的深入挖掘深入挖掘 傳統(tǒng)（二極管、三極管）器件特性的充分利用：傳統(tǒng)（二極管、三極管）器件特性的充分利用： I-V特性特性的利用：線性、非線性、大動態(tài)范圍的利用：線性、非線性、大動態(tài)范圍結電容結電容特性的利用：線性、非線性特性的利用：線性、非線性溝道電導溝道電導調制效應的利用調制效應的利用 電子在高場下的漂移特性：電子在高場下的漂移特性：遷移率的非線性、遷移率的非線性、電子飽和速

10、度電子飽和速度 高能電子在強場下的特殊行為：高能電子在強場下的特殊行為： 碰撞引起載流子倍增與碰撞引起載流子倍增與雪崩倍增雪崩倍增 導帶子能谷之間的電子導帶子能谷之間的電子谷間轉移谷間轉移_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE微波半導體器件特性的非線性利用微波半導體器件特性的非線性利用 I-V特性的非線性區(qū)效應特性的非線性區(qū)效應：產生信號頻率的諧波、分諧波成分產生信號頻率的諧波、分諧波成分變頻、倍頻、分頻變頻、倍頻、分頻 Schottky 二極管、檢波二極管、混頻二極管、二極管、檢波二極管、混頻二極管、隧道隧道二極管二極管 結電容的壓控特性結電容的壓控特性：

11、改變諧振回路頻率及改變諧振回路頻率及Q值值寬帶信號源寬帶信號源變容二極管、階躍變容二極管、階躍二極管二極管 溝道電導的非線性調制溝道電導的非線性調制：用于用于RF信號的衰減、限幅信號的衰減、限幅PIN二極管、限幅二極管二極管、限幅二極管_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE電場下載流子行為：漂移與飽和電場下載流子行為：漂移與飽和 電子極限速度：飽和速度電子極限速度：飽和速度vs 微波器件性能：低場遷移率微波器件性能：低場遷移率 n與高場飽和速度與高場飽和速度vs的的綜合效應綜合效應 MESFET、HEMT、PHEMT、HFET、MHEMT、HBT高場高場下的

12、電子運動：微波三極管中的尺寸效應下的電子運動：微波三極管中的尺寸效應亞微米柵（亞微米柵（FET）、超薄基區(qū)（）、超薄基區(qū)（BT）_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V族化合物半導體的速場特性族化合物半導體的速場特性化合物半導體化合物半導體 導帶雙能谷：有效質量不同導帶雙能谷：有效質量不同“快快”態(tài)電子、態(tài)電子、“慢慢”態(tài)電子態(tài)電子 高電場下躍遷：高電場下躍遷： 快電子快電子 慢電子慢電子 負微分遷移率（電子）負微分遷移率（電子）高電場下電子進入遠離導帶底的高能態(tài)高電場下電子進入遠離導帶底的高能態(tài)傳統(tǒng)的導帶底部低能態(tài)近似不再適用傳統(tǒng)的導帶底部低能態(tài)近

13、似不再適用_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE化合物半導體器件內的高場效應：化合物半導體器件內的高場效應：雪崩與體效應（雪崩與體效應（GUNN效應）效應） 高能電子高速漂移運動引起的載流子高能電子高速漂移運動引起的載流子碰撞、雪崩碰撞、雪崩IMPATT（雪崩二極管）（雪崩二極管） 高能電子在化合物半導體（高能電子在化合物半導體（GaAs、InP）導帶子能谷間）導帶子能谷間轉移轉移“快快”電子電子“慢慢”電子引起半導體內的電子引起半導體內的偶極子疇偶極子疇： 正效應：正效應：GUNN效應與器件效應與器件 副效應：干擾某些器件正常工作狀態(tài)副效應：干擾某些器件正

14、常工作狀態(tài)GUNN二極管（體效應二極管）二極管（體效應二極管）充分挖掘半導體內載流子的各種特性：眾多的微波器充分挖掘半導體內載流子的各種特性：眾多的微波器件家族件家族半導體異質結構的實現開創(chuàng)了半導體異質結構的實現開創(chuàng)了“能帶工程能帶工程”器件設計原理時代器件設計原理時代_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEFETs ：化合物：化合物 vs Si GaAs 類類FET特點：特點：缺乏類缺乏類SiO2穩(wěn)定氧化物穩(wěn)定氧化物 空穴遷移率遠低于電子空穴遷移率遠低于電子SiSiIII-VIII-V化合物化合物結結P/NSchottky barrierP/N載流子載流子電

15、子，空穴電子，空穴電子電子器件結構器件結構MOSMES，MIS器件內部電場器件內部電場較弱較弱較強較強互補電路互補電路CMOSE/D器件需采用不同工作原理器件需采用不同工作原理GaAs（InP）基金屬半導體場效應晶體管（）基金屬半導體場效應晶體管（MESFETs）_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE化合物器件：從化合物器件：從MOSFET到到MESFET 化合物半導體缺乏具有良好加工性能的氧化物鈍化層化合物半導體缺乏具有良好加工性能的氧化物鈍化層 必須采用必須采用非非MOSFET型器件型器件 MOS結構結構 MES結構（金屬半導體接觸勢壘）結構（金屬半導體

16、接觸勢壘）化合物半導體（化合物半導體（GaAs、InP）較大的）較大的Eg 優(yōu)異的優(yōu)異的Schottky勢壘特性勢壘特性 類類MOSFET的的MESFET：柵下柵下MOS電容電位控制電容電位控制 柵下溝道厚度的耗盡控制柵下溝道厚度的耗盡控制_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE異質結器件的崛起：化合物半導體同質異質結器件的崛起：化合物半導體同質結結FET及及BJT原理的突破原理的突破 同質材料結構同質材料結構 異質材料結構：異質材料結構：器件原理與特性的飛躍器件原理與特性的飛躍 異質結構器件設計優(yōu)化：異質結構器件設計優(yōu)化：傳統(tǒng)的擴散、注入、合金、氧化：傳統(tǒng)的

17、擴散、注入、合金、氧化：摻雜工程摻雜工程異質層結構的設計優(yōu)化及外延：異質層結構的設計優(yōu)化及外延：能帶工程能帶工程_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE實例實例1：高電子遷移率晶體管（：高電子遷移率晶體管（HEMT）雙平面摻雜雙平面摻雜PHEMT層結構示意層結構示意2DEG層層膺配膺配HEMT剖面示意剖面示意_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEHEMT工作原理工作原理n-AlGaAs i-GaAs_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEHEMT的原理特點的原理特點 AlGaAs/GaAs異

18、質結的導帶不連續(xù)性：異質結的導帶不連續(xù)性：GaAs一側一側形成量子勢阱，摻雜層內電子轉移到阱內形成高形成量子勢阱，摻雜層內電子轉移到阱內形成高面密度的二維電子氣（面密度的二維電子氣（2DEG） 摻雜層與摻雜層與2DEG層的空間分離，降低雜質離子的層的空間分離，降低雜質離子的庫侖散射：提高庫侖散射：提高2DEG的遷移率的遷移率解決了：解決了：器件工作區(qū)內增加載流子濃度與提高器件工作區(qū)內增加載流子濃度與提高載流子遷移率的矛盾載流子遷移率的矛盾體現微波頻率下工作體現微波頻率下工作HEMT的優(yōu)異特性的優(yōu)異特性_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE實例實例2：HBT

19、npn-HBT剖面示意剖面示意npn-HBT層結構示意層結構示意_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEHBT的原理特點的原理特點異質異質EB發(fā)射結：寬能隙發(fā)射區(qū)、窄能隙基區(qū)發(fā)射結：寬能隙發(fā)射區(qū)、窄能隙基區(qū)_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEHBT的原理特點的原理特點 異質異質EB結的能帶差結的能帶差Eg增加了改變發(fā)射結注入比的手段：增加了改變發(fā)射結注入比的手段： max=(Ne/Pb)(vnb/vpe)exp( Eg/kt) 在保持高發(fā)射結注入效率的前提下通過發(fā)射區(qū)、集電區(qū)低在保持高發(fā)射結注入效率的前提下通過發(fā)射區(qū)、集電

20、區(qū)低摻雜、基區(qū)高摻雜實現降低摻雜、基區(qū)高摻雜實現降低Rb、Ce、Cc：提高：提高HBT的工作的工作頻率頻率fmax解決：解決：雙極晶體管提高頻率與增加增益間矛盾雙極晶體管提高頻率與增加增益間矛盾體現微波頻率下工作體現微波頻率下工作HBT的優(yōu)異特性的優(yōu)異特性_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE異質結構效應對化合物半導體器件的影響：異質結構效應對化合物半導體器件的影響：MESFET類異質器件類異質器件 采用采用異質異質Spike摻雜摻雜改進改進MESFET溝道雜質分布以提高器溝道雜質分布以提高器件功率輸出時的效率與線性度件功率輸出時的效率與線性度 采用采用大能

21、隙異質勢壘層（大能隙異質勢壘層（AlGaAs）提高提高MESFET的的Schottky勢壘特性以改進器件頻率與增益勢壘特性以改進器件頻率與增益 采用電子輸運特性更優(yōu)異的采用電子輸運特性更優(yōu)異的異質溝道層材料（異質溝道層材料（InGaAs）以全面提高以全面提高MESFET及及HEMT的高頻特性（頻率、增益、的高頻特性（頻率、增益、功率、效率）功率、效率）采用采用復合異質溝道層復合異質溝道層（如（如GaAs/InGaAs）或）或多層脈沖摻雜多層脈沖摻雜溝道層溝道層通過同時提高載流子的輸運特性及溝道載流子濃通過同時提高載流子的輸運特性及溝道載流子濃度以改善器件的頻率與功率輸出特性度以改善器件的頻率與

22、功率輸出特性_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE異質結構效應對化合物半導體器件的影響：異質結構效應對化合物半導體器件的影響：HBT類異質器件類異質器件采用采用窄能隙（窄能隙（GaAs、InGaAs）基區(qū)）基區(qū)利用異質發(fā)射結效利用異質發(fā)射結效應全面改進應全面改進BJT的高頻特性（的高頻特性（ 、fT、 fmax）采用采用雙異質結雙異質結（EB發(fā)射結、發(fā)射結、 CB集電結）進一步改善集集電結）進一步改善集電結輸運特性電結輸運特性利用異質結構的利用異質結構的選擇腐蝕性選擇腐蝕性（自停止腐蝕性，如（自停止腐蝕性，如InGaP與與GaAs）實現）實現HBT工藝中結平

23、面的精確定位（工藝中結平面的精確定位（10-1 nm精度）精度）利用利用高鈍化特性的異質生長層高鈍化特性的異質生長層（如（如InGaP）實現）實現HBT發(fā)發(fā)射結的低界面態(tài)表面鈍化保護射結的低界面態(tài)表面鈍化保護_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE化合物異質器件設計：能帶工程化合物異質器件設計：能帶工程 異質半導體器件的設計：異質半導體器件的設計：能帶工程能帶工程Schroedinger方程方程+ Poisson方程方程 異質界面間的電子轉移異質界面間的電子轉移波函數、子能級、態(tài)密度：波函數、子能級、態(tài)密度：2DEG面密度面密度 異質半導體器件的設計參數異質半

24、導體器件的設計參數層結構、厚度、摻雜濃度層結構、厚度、摻雜濃度 異質半導體器件設計的實現異質半導體器件設計的實現密切結合異質材料生長工藝：密切結合異質材料生長工藝：功能材料功能材料 同質半導體器件的設計：同質半導體器件的設計：摻雜工程摻雜工程Poisson方程方程化合物半導體材料技術進展化合物半導體材料技術進展實現功能結構材料的完美生實現功能結構材料的完美生長長_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE異質結器件用功能材料的能力異質結器件用功能材料的能力 “能帶工程能帶工程”設計的異質結構器件：設計的異質結構器件： 異質層厚度異質層厚度nm級及以下級及以下 異質

25、界面異質界面單原子層完美過渡單原子層完美過渡 相鄰異質層的相鄰異質層的摻雜濃度差摻雜濃度差超過超過5個數量級個數量級 外延生長技術的巨大突破外延生長技術的巨大突破“功能材料功能材料”： 分子束外延（分子束外延（MBE） 金屬有機源化學汽相外延（金屬有機源化學汽相外延（MOCVD、MOVPE）二元二元多元多元 使用功能材料大大簡化異質結構器件的加工復雜性：使用功能材料大大簡化異質結構器件的加工復雜性： 保證了異質結器件設計的可實現性保證了異質結器件設計的可實現性 器件縱向尺寸（器件縱向尺寸（10 -3 m精度）精度）III-V族化合物半導體的禁帶寬度族化合物半導體的禁帶寬度Eg與晶格常數與晶格常

26、數a關系圖關系圖_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE分子束外延（分子束外延（MBE）MBE生長原理及設備生長原理及設備_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE有機金屬源化學汽相淀積（有機金屬源化學汽相淀積（MOCVD）MOCVD系統(tǒng)工作原理系統(tǒng)工作原理_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE采用改性層（采用改性層（Metamorphic）技術實現基本）技術實現基本半導體材料間的異質生長半導體材料間的異質生長 目的：目的： 克服原有襯底材料特性的缺點克服原有襯底材料特性的缺點 避免使用昂貴襯

27、底材料：降低成本避免使用昂貴襯底材料：降低成本 根據器件與根據器件與IC設計要求實現襯底及外延層的綜合利用設計要求實現襯底及外延層的綜合利用 實現不匹配晶體之間的單晶層外延實現不匹配晶體之間的單晶層外延 發(fā)展中技術：發(fā)展中技術： Si襯底上外延襯底上外延GaAs、 GaN 、 SiC GaAs襯底上外延襯底上外延InP 藍寶石襯底上外延藍寶石襯底上外延GaN、SiC III-V高溫半導體技術高溫半導體技術_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V高溫半導體技術發(fā)展的動力高溫半導體技術發(fā)展的動力 對于固態(tài)大功率發(fā)射源的持續(xù)而又急迫需求對于固態(tài)大功率發(fā)射源

28、的持續(xù)而又急迫需求固態(tài)源優(yōu)勢固態(tài)源優(yōu)勢：小體積、長壽命、高可靠、輕重量：小體積、長壽命、高可靠、輕重量（滿足（滿足軍事武器系統(tǒng)及民用微波發(fā)射設備軍事武器系統(tǒng)及民用微波發(fā)射設備的特殊要求）的特殊要求）固態(tài)源缺點固態(tài)源缺點：功率小、效率低：功率小、效率低 原因：載流子輸運特性、器件能承載的輸入功率電平（電原因：載流子輸運特性、器件能承載的輸入功率電平（電流、電壓）、散熱特性流、電壓）、散熱特性 降低制造成本的要求降低制造成本的要求_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V寬禁帶半導體的主要優(yōu)點寬禁帶半導體的主要優(yōu)點 強場下高電子漂移速度：高頻、大電流強場下

29、高電子漂移速度：高頻、大電流 大禁帶寬度：高溫下保持器件的正常工作大禁帶寬度：高溫下保持器件的正常工作 高熱導率：大功率下保持較低的結溫高熱導率：大功率下保持較低的結溫 高擊穿電場強度：提高器件外加電壓來提高輸出高擊穿電場強度：提高器件外加電壓來提高輸出功率功率_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE主要主要III-V半導體基本特性比較半導體基本特性比較SiGaAsGaN4H-SiC禁帶寬度（禁帶寬度（eV）1.111.433.43.2相對介電常數相對介電常數11.812.89.09.7擊穿電場（擊穿電場（V/cm）6E56.5E535E535E5電子飽和速度

30、（電子飽和速度（cm/s）1E71.2E71.5E72E7遷移率（遷移率（cm2/Vs）135060001000800熱導率（熱導率（W/cmK）1.50.461.74.9_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEGaN高溫半導體技術高溫半導體技術 共同特點共同特點寬禁帶半導體材料：高溫工作（寬禁帶半導體材料：高溫工作（ 400 C）、高熱導（減小重量、尺寸）、高熱導（減小重量、尺寸） GaN 器件特點：異質結構器件特點：異質結構提高電子輸運特性提高電子輸運特性 進展：固態(tài)微波大功率源：進展：固態(tài)微波大功率源：軍事電子系統(tǒng)功率發(fā)射、軍事電子系統(tǒng)功率發(fā)射、 民用基

31、站功放模塊民用基站功放模塊 GaN X波段：單管波段：單管 10 （CW） 脈沖脈沖 7 W/mm，PAE 62% 軍用現代相控軍用現代相控 陣雷達陣雷達 1.8-2.2 GHz：22 W（CW），），17 Db 移動通信基站用移動通信基站用 2 GHz：108 W CW 移動通信基站用移動通信基站用_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE基站用基站用GaN HEMT功放模塊功放模塊美國美國Cree Microwave頻段：頻段：2 GHz輸出功率：輸出功率：22 W（CW）增益：增益：17 dB頻帶：頻帶：400 MHz 2個個GaN 功率管功率管化合物半導

32、體射頻（微波）集成技化合物半導體射頻（微波）集成技術：微波單片集成電路（術：微波單片集成電路（MMIC）_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V族化合物半導體適于族化合物半導體適于MMIC應用的性能因素應用的性能因素 GaAs類化合物半導體中載流子更優(yōu)異的類化合物半導體中載流子更優(yōu)異的輸運特性輸運特性：器件：器件及及IC的工作頻率可進入微波毫米波頻段的工作頻率可進入微波毫米波頻段 GaAs類化合物半導體體材料的類化合物半導體體材料的半絕緣特性半絕緣特性：可作為較理：可作為較理想的微波電路基板材料想的微波電路基板材料 GaAs類化合物半導體材料的優(yōu)良的

33、類化合物半導體材料的優(yōu)良的IC加工性能加工性能：可以解：可以解決微波頻段決微波頻段IC（MMIC）的制造難題）的制造難題_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEGaAs與與Si基本特性的比較基本特性的比較特性特性GaAsSi半絕緣性半絕緣性是是否否襯底電阻（襯底電阻（Ohm-cm）10E7-10E910E2-10E3介電常數介電常數12.911.7電子遷移率（電子遷移率（cm2/Vs）6000-8000700飽和電子速度（飽和電子速度（cm/s）1.310E7910E6器件最高工作溫度（器件最高工作溫度（ C）250 200抗輻照能力抗輻照能力優(yōu)異優(yōu)異差差熱導

34、率（熱導率（W/cm C）0.461.45_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTESi IC的演變：的演變：MMIC的特殊性的特殊性 微波電路的多樣性導致使用的器件種類名目繁多微波電路的多樣性導致使用的器件種類名目繁多尋求與尋求與Si-MOS相似的相似的“統(tǒng)一統(tǒng)一”器件：器件： （利用利用GaAs類類MESFETs在微波電路應用時的多功能性：解決在微波電路應用時的多功能性：解決 MMIC中微波器件的結構平面化與設計簡化問題）中微波器件的結構平面化與設計簡化問題） 應用頻率（應用頻率（RF及微波頻段）提高：及微波頻段）提高：“路路”（集中元件）（集中元件）“場場

35、”（電磁場）（電磁場） 設計復雜化：電磁場、設計復雜化：電磁場、寄生效應寄生效應寄生效應寄生效應元件的緊鄰效應元件的緊鄰效應 電路基板電路基板“非理想性非理想性”MMIC：功能電路：功能電路微波頻率模擬微波頻率模擬IC_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEMESFETs MESFET的大動態(tài)范圍的工作特性的大動態(tài)范圍的工作特性 微波電路中微波電路中的的“多面手多面手” 替代替代各種微波二極管各種微波二極管 微波電路可用單一種類微波電路可用單一種類MESFET組成組成 大大大大簡化簡化MMIC的設計與制造復雜性的設計與制造復雜性 MESFET的準平面結構的準平

36、面結構 + 與與 微波無源元件制造工藝微波無源元件制造工藝的相容性的相容性 最終最終解決解決MMIC的可制造性的可制造性_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEMMIC中使用的中使用的FETs的特殊性的特殊性Si ICs：MOSFET的的“導通導通”與與“截止截止”化合物化合物MMICs：MESFET特性的不同區(qū)域特性的不同區(qū)域電路電路CAD設計用器件模型：十分復雜設計用器件模型：十分復雜大動態(tài)范圍大動態(tài)范圍線性與非線性工作區(qū)線性與非線性工作區(qū)微波頻率下的延遲效應微波頻率下的延遲效應微波頻率下的寄生效應微波頻率下的寄生效應_NANJING ELECTRONIC

37、 DEVICES INSTITUTE異質結新原理器件大幅度改進異質結新原理器件大幅度改進MMIC性能性能“三高三高”：高載流子輸運特性、高器件設計靈活性、：高載流子輸運特性、高器件設計靈活性、高工作結溫高工作結溫 異質結構異質結構FETs：HEMT、PHEMT、MHEMT 異質結雙極型器件異質結雙極型器件HBTs：單異質結：單異質結HBT、雙異、雙異質結質結HBT（DHBT） 寬禁帶化合物半導體（寬禁帶化合物半導體（GaN）的異質結器件）的異質結器件_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE化合物微波異質結半導體器件的優(yōu)勢化合物微波異質結半導體器件的優(yōu)勢 異質結器件大大提高器件的工作頻率：異質結器件大大提高器件的工作頻率：GaAs PHEMTs：40-60 GHzInP HEMTs：100 GHz以上以上通信、軍事應用通信、軍事應用 異質結器件大大提高器件的運算速度：異質結器件大大提高器件的運算速度：InP HBTs：100 Gb/s以上數據傳輸速率以上數據傳輸速率下一代光通信下一代光通信 異質結器件大大提高器件的工作溫度：異質結器件大大提高器件的工作溫度：GaN HEMT