一、引言

化合物半導體具有飽和速度高、能帶易剪裁、帶隙寬等特性，在超高頻、大功率、高效率等方面表現出優越的性能，因此，化合物半導體電子器件已經成為發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體技術日趨成熟，已廣泛地應用于無線通信、光電通信等領域，成為目前高端信息通信領域的主流；繼硅（Si）之后，GaAs、磷化銦（InP）和第三代半導體（寬禁帶半導體）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。InP材料具有電子遷移率高和飽和漂移速率大的特點，是實現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體，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強等優點，器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上，成為大功率固態微波器件發展的最佳選擇。SiC電力電子器件由于頻率高、開關損耗小、效率高等優良特性，成為綠色能源發展的必然趨勢。

化合物半導體材料和器件經過半個世紀的發展，特別是近二十年的突飛猛進，通過發揮化合物半導體材料的優良特性，在高頻、大功率、高效率等方面與硅基集成電路形成互補，已經廣泛地應用于信息社會的各個領域，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、電路集成等技術不斷發展，以及新結構、新原理等不斷突破，化合物半導體領域未來發展趨勢呈現四個主要方向：1）充分挖掘材料的優勢，引領信息器件頻率、功率、效率的發展方向；2）高遷移率化合物半導體材料：延展摩爾定律的新動力；3）與硅基材料和技術融合，支撐信息科學技術創新突破；4）SiC電力電子器件異軍突起，引領綠色微電子發展。

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

二、化合物半導體領域發展現狀

（一）化合物半導體領域研究背景

二十一世紀是通信和網絡的時代。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，這對通信系統中的核心器件及關鍵電路的性能（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的密集波分復用技術，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傳輸系統已經在實驗室研制成功，預計在未來5-10年將會逐漸進入市場；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的研發，手機芯片已開始向更多頻帶、更大帶寬、更高集成度方向發展；衛星通信的頻率則更高，民用衛星通信也已進入C波段（4-8GHz）和Ku波段（12.4-18GHz）；在物聯網的無線互連方面，要求功率附加效率高、信道噪聲低的無線收發模塊；毫米波（30-300GHz）通信、雷達與成像在軍事領域中的研究和應用也很活躍?？傊叩墓ぷ黝l率、更快的傳輸速度、更遠的無線連接距離、更快的信息處理能力代表了21世紀信息產業的發展方向。

（二）化合物半導體領域發展現狀

隨著新材料技術的發展，化合物半導體由于其優異的物、化以及電學特性，異軍突起，基于GaAs、InP、GaN、SiC等半導體材料的核心芯片以其高性能、多功能、集成化的優勢在各類信息系統中發揮著關鍵作用。

以GaAs為代表的第二代半導體技術日趨成熟，已廣泛地應用于無線通信、光電通信等領域，成為目前高端信息通信領域的主流。但是在星用高可靠技術、以及基于E/D工藝的多功能集成技術等方面尚有許多應用有待拓展。而InP技術隨著應用領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）發展，對InP基HEMT和HBT技術提出了迫切需求。InP器件截至頻率達到766GHz，UCSB開發出324GHzMMIC，3mmInPHEMT器件輸出功率大于25dBm，BAE公司研制出了工作頻率達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技術已經成為高頻、高速、混合信號技術的主流趨勢。

而新興的以GaN、SiC為代表的第三代半導體（寬禁帶半導體）技術近年來突飛猛進。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，功率密度達到GaAs的10倍；而寬禁帶半導體的工作電壓達到30～100V甚至更高，可有效提高系統效率。而SiC襯底擁有極好的熱傳導性，可以在200℃以上的高溫環境下工作。目前，SiC單晶襯底尺寸由3英寸向4英寸發展，并正在開發硅等低成本襯底的GaN，應用于移動通訊；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出10kV110A（兆瓦級）模塊，SiCMOSFET、IGBT等新結構器件不斷涌現，在直流輸變電、電驅動等新型系統中有迫切需求。隨著材料和工藝的穩定，在美國寬禁帶半導體目前已出現代工線，可以面向美國國內開放服務。寬禁帶半導體技術已成為未來大功率技術的必然發展趨勢，將在雷達探測、通訊、電子對抗、動力系統等各類信息系統中發揮革命性作用。下面，將從材料類型不同角度對GaAs、InP、GaN、SiC、其他材料的國內外發展現狀進行闡述。

1．GaAs材料和器件發展現狀

以GaAs為代表的化合物半導體器件在高頻、高速、高帶寬以及微波毫米波集成電路中具有明顯的優勢，國際上的化合物半導體材料與器件的研究已經成為一大持續升溫的熱點領域。化合物半導體高頻器件與電路是實現高速光纖通信系統、高頻移動通信系統必不可少的關鍵部件。并且在新興的汽車防撞系統、衛星定位系統以及軍用微波/毫米波雷達系統等領域具有廣闊的應用前景。隨著今后通信系統頻率的不斷提高，它的優勢會更加突出，將會形成巨大的市場需求與經濟效益。更為重要的是，隨著微電子技術發展到22納米節點后，硅基集成電路正面臨來自物理與技術的雙重挑戰，采用高遷移率化合物半導體來替代硅材料延展摩爾定律已經成為近期微電子前沿領域的研究熱點，學術界普遍認為，化合物半導體將在微電子領域引發一場意義深遠的技術革命。

目前，以砷化鎵（GaAs）為代表的化合物半導體高頻器件及電路技術已經進入了成熟期，已被大量應用于高頻通信領域，尤其是移動通信和光纖通信領域，到2009年其市場規模已經達到了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電路在移動通信RF前端占據了主要地位，手機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、汽車、計算機和軍事市場占據了GaAsIC市場的34％，工業市場主要是高頻高速測試系統，計算機和網絡速度已經達到Gb/s，需要大量LAN和WAN。汽車應用主要是防撞雷達的使用。而軍事應用保持在４億美元／每年左右。目前，國際上生產民用GaAs器件及電路的代表性企業有美國的VITESSE、TRIQUINT、ANADIGICS、MOTONOLA、LUCENT、ALPHA、AGILENT、HP；日本的NTT、Oki、Fujisu；德國的西門子；臺灣的穩懋、宏捷、全球聯合通訊以及尚達等。大量事實已證明：砷化鎵器件及電路是一項技術含量高、利潤率高，市場前景和經濟效益不可低估的高技術產業。正因為目前市場需求強勁，今后發展前景看好，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生產線，今年這些公司都將由4英寸轉入6英寸大規模生產。他們生產的主要產品是移動通信射頻電路（如GaAs手機功率放大器和低噪聲放大器電路等）以及光纖通信發射和接收電路（如GaAs激光驅動器、接收器、復用器及解復用器、時鐘恢復電路等）、微波功率晶體管及功率放大器等各種系列的產品。

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年設計定型了國內第一只砷化稼微波低噪聲場效應管，1974年開始研究砷化稼功率器件，在1980年國內首次定型砷化稼微波功率場效應管。進入改革開放后，由于受到國外成熟產品的沖擊，GaAs器件和電路的研究特別是民用器件的研究進入低谷期，重點開展軍用GaAs器件和電路的研制和攻關。2004年后，GaAs材料和器件進入高速發展期，國內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，并取得一定的市場份額。中科院微電子所通過自主創新率先在國內建立了4英寸GaAs工藝線，并成功地研制出10Gb/s激光調制器芯片等系列電路。傳統的器件研制單位中電集團13所和55所通過技術引進完成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化問題，其中8-12GHzT/R組件套片已成功地應用大型系統中，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品推出，嚴重地制約了我國信息化建設。

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，國內手機和光纖通信生產廠家他們對元器件受國外制約甚為擔憂，迫切希望國內有能提供穩定供貨的廠家。由于GaAsIC產品尚未達到壟斷的地步，隨著國家對高新技術產業扶持政策的出臺，這正是發展GaAs電路產業化的絕好的市場機會。只要我們能形成一定的規模生產，開發生產一系列高質量高性能的電路，完全有可能占領大部國內市場，并可進入國際市場競爭。

2．InP材料和器件國內外發展現狀

InP基半導體材料是以InP單晶為襯底而生長的化合物半導體材料，包括InGaAs、InAlAs、InGaAsP以及GaAsSb等材料。這些材料突出的特點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，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基異質結雙極晶體管（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：增益截止頻率（fT）和功率截止頻率（fmax）。這兩個指標決定了電路所能達到的工作頻率。InP基HBT材料選用較寬帶隙的InP材料作為發射極、較窄帶隙的InGaAs材料作為基極、集電極的材料根據擊穿電壓的要求不同可以采用InGaAs材料或InP材料，前者稱為單異質結HBT，后者稱為雙異質結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，這種結構的載流子遷移率可達10000cm2/Vs以上。

以美國為首的發達國家非常重視對InP基器件和電路的研究。從上世紀九十年代起，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系統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、歐姆接觸以及增加柵控特性等關鍵問題后，2002年研制成功柵長為25nm的HEMT器件，fT達到562GHz，通過引入InAs/InGaAs應變溝道，實現柵長為35nm器件的fmax達到1.2THz。InP基HEMT器件在噪聲和功率密度方面都具有優勢：MMIC低噪聲放大器（LNA）在94GHz下的噪聲系數僅為2.5dB、增益達到19.4dB；PA的功率達到427mW、增益達到10dB以上。美國的NorthropGrumman公司形成了一系列W波段MMIC產品。采用截止頻率達到THz的InP基HEMT器件，也已經研制成功大于300GHz的VCO、LNA和PA系列MMIC，并經過系統的演示驗證。

InP基HBT的突破是在本世紀初，美國加州大學圣巴巴拉分校的M.Rodwell領導的研究組率先將InP基HBT的fT和fmax提高到200GHz以上。其后采用采用轉移襯底技術實現的HBT，fT為204GHz，fmax超過1000GHz；2007年，Illinois大學制作成功發射極寬度為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設計實現了無導帶尖峰的雙異質結HBT（DHBT），fT突破500GHz，fmax接近800GHz，擊穿電壓大于4V；采用GaAsSb基極，與發射極和集電極的InP材料形成II-型能帶結構的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到300GHz以上。據報道，國外3毫米波段（100GHz）的系統已經進入實用化階段，頻率高達300GHz的演示系統也已出現。

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步。在InP單晶方面，國內擁有20多年研究InP單晶生長技術和晶體襯底制備技術的經驗和技術積累，已經實現了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，近年來一直為國內外用戶批量提供高質量2和3英寸InP單晶襯底；在外延材料方面，中科院在InP襯底上實現了InP基HBT和HEMT器件結構，并突破了復雜結構的HBT材料的生長，實現了高質量的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“新一代化合物半導體電子材料和器件基礎研究”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先后在3英寸InP晶圓上實現了亞微米發射極寬度的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波段系統的應用奠定了基礎。

3．GaN材料和器件發展現狀

氮化鎵（GaN）作為第三代寬禁帶半導體的代表，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強等優點，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、抗輻射等優異特性，可以廣泛應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域，因此成為全球新一代固態微波功率器件與材料研究的前沿熱點，有著巨大的發展前景。

GaN基HEMT結構材料和器件是當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和武器應用的關鍵電子元器件，并設立專項研究計劃進行相關研究，如美國國防先期研究計劃局（DARPA）的寬禁帶半導體計劃“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）進行攻關。在寬禁帶半導體計劃取得重要進展的基礎上，美國DARPA在2009年又啟動了面向更高頻率器件的NEXT項目，預計4－5年內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域，美國和日本的研究處于世界領先水平，美國主要研究機構有UCSB大學、Cree公司、APA公司、Nitronex公司、Cornell大學、USC大學等，日本的主要研究機構有名古屋理工學院、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、大功率密度等應用領域具有巨大潛力，是功率器件固態化的首選。德國夫瑯和費固態物理應用學會也在2005年的年度報告中指出：由于GaN基HEMT器件具有的大動態范圍和良好的線性，它將成為未來更大功率的基站、雷達系統使用的功率器件。經過近十年的高速發展和投入，GaN功率器件和電路取得令人矚目的成就，主要在寬帶、效率、高頻三個領域全面超越GaAs器件，成為未來應用的主流。在寬帶電路方面，實現了2-18GHz和6-18GHz寬帶GaN微波功率單片電路，連續波輸出功率達到了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，功率附加效率達到了52％。X波段內匹配功率器件脈沖輸出功率60.3W，功率附加效率高達43.4％。2011年，Hossein報道了3.5GHz下的功率器件，效率達到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，效率達到84％；在高頻率方面，美國HRL實驗室報道了12路GaNMMIC波導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、工藝和器件結構等技術水平的提高，已實現了MTTF達到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，并發布了覆蓋2-18GHz的系列器件和電路，這標志著GaN產品時代正式到來。

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，并實現了小批量供貨；SiC襯底HEMT結構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到2.4x1016/Vs，藍寶石襯底HEMT結構材料的室溫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?/?，達到國際先進水平。在器件和電路方面，國內建立了四條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脈沖輸出功率達到3W，W波段器件fT大于174GHz、fmax為215GHz。上述器件和電路的技術指標達到國際先進水平，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“中國寬禁帶半導體推進技術”，重點開展3英寸GaN器件工藝線建設和器件可靠性推進工程，最終實現“用的上、用的起”GaN功率器件和電路，實現與國際的同步發展和競爭。

4．SiC材料和器件發展現狀

二十一世紀初，美國國防先進研究計劃局（DARPA）啟動寬禁帶半導體技術計劃（WBGSTI），極大推動了寬禁帶半導體技術的發展。

在SiC單晶材料方面，主流的SiC晶片是3-4英寸，6英寸SiC晶片將很快進入市場。美國Cree公司作為全球SiC晶片行業的先行者，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年內向客戶提供6英寸SiC晶片樣品，預計2015年前后量產。

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晶體管已經實現量產，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，商業化的SiC二極管主要是SBD，已經系列產品化，阻斷電壓范圍600V~1700V，電流1A~50A。主要生產廠商有：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公司已經可以量產600~1200VSiCDMOS，并開始提供功率模塊樣品。

SiC肖特基二極管的應用可大幅降低開關損耗并提高開關頻率，廣泛用于如空調、數碼產品DC、DV、MP4、PC、工業控制服務器等領域。在航空航天等高新技術產業，SiC器件的應用能夠有效減小系統的體積，同時具有優異的抗輻射性能。SiC電力電子器件市場從2010年開始擴展，可望出現60~70%以上的年增長率，并在2015年達到8億美元的市場規模。其中，占主要市場份額的SiC電力電子器件形式和應用領域依次為混合動力車專用MOSFET、SBD器件和功率因數校正電路用SBD器件。

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

（三）關注化合物半導體的一些難題

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，使得微電子科學與技術面臨許多嚴峻的挑戰。如何充分發揮化合物半導體器件在超高頻、大功率方面的優勢，從而實現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，依然存在若干關鍵問題：

1．化合物半導體材料原子級調控與生長動力學

化合物半導體材料與Si材料最大的區別在于化合物半導體是由二元、三元、四元系材料組成。結構材料是借助先進的MBE和MOCVD設備來實現的，原子級調控是利用不同種類的原子在外延過程中的結合能、遷移率等的不同，借助高溫襯底提供的激活能，控制原子占據不同的晶格位置，在表面上遷移并結晶的動力學過程，使外延材料呈現出多樣的晶體結構和物理特性，如不同原子層形成異質結構產生量子限制效應、不同大小原子構成應變材料產生應變效應和局域化效應以及同種原子占據不同的晶格位置產生不同的摻雜類型等。利用原子級調控實現材料的量子限制效應、極化效應、應變效應、局域化效應和摻雜效應完成能帶剪裁和材料結構設計。如在傳統AlGaN/GaNHEMT材料異質結界面插入2～3個原子層厚的AlN，可以改變材料的能帶結構，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特性，能夠實現對新材料、新結構設計的理論指導。因此，通過對化合物半導體原子級調控和生長動力學的研究是實現低缺陷、高性能化合物材料的關鍵問題。

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

2．大尺寸、大失配硅基化合物半導體材料生長

硅基上實現高性能的化合物半導體材料一直是研究人員和工業界追求的目標，一方面，該技術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合實現多功能器件和電路的融合，如光電一體、高壓低壓一體、數字微波融合等等，將未來系統設計帶來巨大的變革。因此，大尺寸、大失配硅基化合物半導體材料生長是未來化合物半導體跨越式發展的關鍵。但實現大尺寸、大失配硅基化合物半導體材料生長面臨著諸多挑戰和問題：一是大失配問題，硅襯底與III-V族半導體材料之間存在三種主要“失配”，即晶格常數失配、熱膨脹系數失配、晶體結構失配。晶格常數失配在異質外延過程中將引入大量的位錯與缺陷；熱膨脹系數差異將導致熱失配，在高溫生長后的降溫過程中產生熱應力，從而使外延層的缺陷密度增加甚至產生裂紋；晶體結構失配往往導致反向疇問題。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體，而III-V族半導體材料（如GaN）原子間是極性鍵屬極性半導體。對于極性/非極性異質結界面有許多物理性質不同于傳統異質結器件，所以界面原子、電子結構、晶格失配、界面電荷和偶極矩、帶階、輸運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識到的問題；三是硅襯底上Si原子的擴散，在高溫生長過程中Si原子的擴散加劇，導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生反應，而在襯底表面形成非晶態SixNy薄膜，降低外延層的晶體質量。

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理與行為規律，探索外延材料質量與生長動力學之間的內在聯系，研究襯底與外延層之間的介質層對初始成核的影響，解決Si與III-V族材料晶體結構不同導致的反向籌的問題，優化緩沖層技術與柔性襯底技術的結構設計、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，采用應力補償與低溫外延技術等方式抑制裂紋的形成與擴展，借助中斷生長技術、MEE技術實現對界面的控制，從而獲得低缺陷密度、高遷移率、穩定可靠的硅襯底上III-V族半導體材料。

3．超高頻、超強場、納米尺度下載流子輸運機理與行為規律

化合物半導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、擊穿場強高、飽和漂移速度大等特點，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體實現超高頻CMOS器件、InP基實現太赫茲器件、GaN基實現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器件縱向結構尺寸）縮小到納米尺度后，器件短溝效應、量子效應、強場效應的影響日趨嚴重，嚴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，強場下器件短溝效應、量子隧穿效應惡化器件性能，而載流子微觀統計引起的漲落等量子效應現象對器件性能的影響有待于進一步深入研究；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生屏蔽作用，使載流子的運動速度降低，使高頻特性在高電流下退化；這些宏觀特性與化合物半導體器件在超高頻、超強場、納米尺度下載流子輸運機理與行為規律密切相關。因此，充分理解和挖掘器件在超高頻、超強場、納米尺度下載流子輸運機理與行為規律是實現新原理、高性能化合物器件的關鍵問題。

在超高頻、超強場、納米尺度下，主導器件工作的基本原理將逐漸由經典物理過渡到量子力學。通過深入研究納米尺度下化合物半導體器件非平衡載流子輸運理論，理解影響超高頻器件速度的關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和依據，使新器件的創新乃至突破有據可依；深入研究異質結構量子隧穿效應、載流子的彈道輸運及微觀統計引起的漲落等現象，采用MonteCarlo等模擬方法研究納米尺度、飛秒量級下載流子輸運規律，建立一套能夠描述超高頻、納米尺度化合物半導體器件的物理模型；深入研究超強場（熱場、電場）下異質結構非平衡態條件下2DEG的輸運行為，通過改變磁場強度、溫度、柵壓、光輻照等動態調制，揭示子帶結構、子帶占據和各種散射機制在非平衡態下、以及從非平衡態到平衡態轉變過程中的變化規律，了解影響2DEG輸運特性的各種物理過程。深入研究化合物半導體材料表面態、缺陷、極化效應等對載流子輸運、散射、捕獲及能態躍遷等機理的影響，指導高性能材料生長和器件研制。

4．化合物半導體器件與集成技術中電、磁、熱傳輸機理與耦合機制

隨著電路和系統工作頻率的提高，特別是進入毫米波（30-300GHz）波段，電磁波波長與器件和系統的幾何尺寸已經可以比擬，電磁波在傳輸過程中的相位滯后、趨膚效應、輻射效應等都不能忽略，相應的集成電路與系統的電特性分析與設計的基礎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形式，一方面其電磁場傳播模式是具有色散效應的準TEM波，另一方面在復雜多通道的電路和系統中存在有通道間耦合，這些都將導致產生信號的畸變、信號間串擾等信號完整性問題。同時，由于集成度和功率的提高，電磁耦合和電磁輻射導致的電磁兼容性問題也愈加突出，已成為系統性能進一步提高的制約性因素。電路與系統間的熱場分布與電磁場分布通過材料與結構的電特性和物理特性相互關聯、相互作用，使得電路與系統的電性能和可靠性受到熱效應的嚴重影響。

在化合物半導體器件與集成技術中，主導信號傳輸的基本原理將逐漸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中電磁場、熱場的傳輸機理與耦合機制，從電磁場理論出發，建立電磁熱分析模型，利用電路和網絡理論，研究電磁場量與熱場量之間的關系，研究電路與系統中的電磁場-熱場的廣義網絡分析方法，為電路和系統設計奠定理論基礎。采用三維電磁場仿真結合電路網絡理論，深入研究超高頻數模電路的信號延時、畸變、失配、串擾、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的電磁兼容問題，認識與理解這些問題產生的根源、機理和表現規律，為電路和系統設計優化奠定技術基礎。

三、化合物半導體的未來趨勢

化合物半導體材料和器件經過半個世紀的發展，特別是近二十年的突飛猛進，通過發揮化合物半導體材料的優良特性，在高頻、大功率、高效率等方面與硅基集成電路形成互補，已經廣泛地應用于信息社會的各個領域，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、電路集成等技術不斷發展，以及新結構、新原理等不斷突破，化合物半導體領域未來發展趨勢呈現四個主要方向：

（一）充分挖掘材料的優勢，引領信息器件頻率、功率、效率的發展方向

作為第二代化合物半導體GaAs，自出現以后引起了極大的重視，在光電子和微電子技術方面得到了飛速的發展。鑒于其遷移率遠高于第一代半導體，且異質結構可以進行能帶剪裁，使其在微電子領域倍受重視。美國上世紀80年代中期啟動了MIMIC計劃，充分挖掘GaAs材料在微電子領域的應用，經過多年的研究，GaAs材料在集成電路的應用方面，特別是射頻和微波領域，獲得了極大的成功，廣泛地應用于各種軍用和民用系統之中。隨著InP材料的成熟和發展，其豐富的異質結構和極高的載流子遷移率，使其在更高頻率領域的應用不斷推進和發展。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電路的頻率推進到100GHz以上。其后實施的TFAST計劃，則將InP材料應用在超高速電路領域，到項目結束時InP基數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材料在高頻領域應用的優勢。受此鼓舞，美國啟動了THz電子學研究計劃，計劃充分挖掘InP基材料在高頻領域的優勢，將電路的工作頻率推進到太赫茲領域。在今后相當長的一段時間里，具有優異特性的InP基材料和電路將成為研究的熱點。

GaN和SiC作為第三代半導體材料，具有非常高的禁帶寬度和功率處理能力，在功率半導體領域發揮了非常重要的作用。美國國防先進研究計劃局（DARPA）啟動寬禁帶半導體技術計劃（WBGSTI），極大推動了寬禁帶半導體技術的發展。采用GaN基異質材料和極化效應，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，現有的GaN微波電路的工作頻率已經進入到W波段，其功率密度遠遠超過其他半導體材料，并有向更高頻率不斷發展的趨勢。

SiC材料具有大的禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高擊穿電場強度、高熱導率、低介電常數和抗輻射能力強等優良的物理化學特性和電學特性，在高溫、大功率、抗輻射等應用場合是理想的半導體材料之一。從現有的研究結果來看，SiC電力電子器件的頻率高、開關損耗小、效率高。美國和日本的半導體公司紛紛投入巨資進行SiC電力電子器件的研發。Cree公司的SiCSBD的開關頻率從150kHz提高到500kHz，開關損耗極小，適用于頻率極高的電源產品，如電信部門的高檔PC及服務器電源；開發10kV/50A的PiN二極管和10kV的SiCMOSFET的市場目標是10kV與110A的模塊，可用于海軍艦艇的電氣設備、效率更高和切換更快的電網系統，以及電力設備的變換器件，其SiCMOSFET更關注于混合燃料電動車輛的電源與太陽能模塊。此外，日本半導體廠商也陸續投入SiCIC量產，FujiElectricHoldings評估在子公司松本工廠生產SiC半導體器件，該公司預計2011年度開始量產；三菱電機預計2011年度在福岡制作所設置采用4寸晶圓之試產線，投入量產，產能為每月3千片。Toshiba則以2013年正式投產為目標，在川崎市的研發基地導入試產線，將運用于自家生產的鐵路相關設備上。充分挖掘SiC材料的優勢，開發新的工藝，實現高效的電力電子器件將是今后發展的重點和研究的熱點。

（二）高遷移率化合物半導體材料：延展摩爾定律的新動力

在過去的四十多年中，以硅CMOS技術為基礎的集成電路技術遵循“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化到納米尺度，取得了巨大的經濟效益與科學技術的重大進步，被譽為人類歷史上發展最快的技術之一。然而，隨著集成電路技術發展到22納米技術節點及以下時，硅集成電路技術在速度、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問題的限制，并且昂貴的生產線建設和制造成本使集成電路產業面臨巨大的投資風險，傳統的硅CMOS技術采用“縮小尺寸”來實現更小、更快、更廉價的邏輯與存儲器件的發展模式已經難以持續。因此，ITRS清楚地指出，“后22納米”CMOS技術將采用全新的材料體系、器件結構和集成技術，集成電路技術將在“后22納米”時代面臨重大技術跨越及轉型。

III-V族化合物半導體（尤其是GaAs、InP、InAs、InSb等化合物半導體）的電子遷移率大約是硅的4-60倍，在低場和強場下具有優異的電子輸運性能，并且可以靈活地應用異質結能帶工程和雜質工程同時對器件的性能進行裁剪，被譽為新一代MOS器件的理想溝道材料。為了應對集成電路技術所面臨的嚴峻挑戰,采用與硅工藝兼容的高遷移率III-V族化合物半導體材料替代應變硅溝道，以大幅度提高邏輯電路的開關速度并實現極低功耗工作的研究已經發展成為近期全球微電子領域的前沿和熱點。美國、歐洲、日本等各主要發達國家都在加大相關研究的投入力度，各半導體公司如Intel、IBM、TSMC、Freescale等都在投入相當的人力和物力開展高遷移率CMOS技術的研究，力圖在新一輪的技術競爭中再次引領全球集成電路產業的發展。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）為研發平臺，聯合IBM、AIXTRON、意法半導體（STMicroelectronics）、恩智浦半導體（NXPSemiconductor）等9家單位，對高遷移率III-V族化合物半導體材料應用于“后22納米”高性能CMOS邏輯電路進行技術攻關，被譽為歐盟CMOS研究的“旗艦”項目。

在Intel、IBM等國際著名半導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展：（1）與同等技術水平的硅基NMOS技術相比，高遷移率III-VNMOS技術具有顯著的速度優勢（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（動態功耗降低一個數量級）；（2）與新興的分子、量子器件相比（例如有機分子器件、碳基納米器件），III-V族化合物半導體材料已廣泛應用于微波電子與光電子器件領域，人們對其材料屬性與器件物理的了解十分深入，其制造技術與主流硅工藝的兼容性好；（3）III-V族化合物半導體是光發射與接收的理想材料，這將為極大規模集成電路（ULSI）中光互連技術以及集成光電子系統的發展帶來新的契機。

鑒于高遷移率CMOS技術的重大應用前景，采用高遷移率III-V族半導體材料替代應變硅溝道實現高性能CMOS的研究已經發展成為近期微電子領域的研究重點，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Intel公司的預計，高遷移率III-VMOS技術將在2015年左右開始應用于11納米CMOS技術節點。

目前，在世界范圍內尚處于起步階段的高遷移率CMOS技術的研究現狀，為我國在“后22納米”CMOS領域的研究提供了自主創新的新機遇。如果我們能夠抓住機遇，在集成電路技術的前沿領域實現突破，這將打破我國微電子研究長期追趕國際前沿、無法取得核心技術的被動局面。

（三）與硅基材料和技術融合，支撐信息科學技術創新突破

隨著信息技術向推動人類社會在健康、環境、安全、新價值深入發展的新技術范疇發展，傳統CMOS技術不能滿足所有信息系統在現實世界的各種不同需求，例如無線電頻率和移動電話，高壓開關與模擬電路非數字的功能，以及汽車電子照明和電池充電器、傳感器和執行器和至關重要的控制汽車運動的安全系統電路，這些新的電子應用領域需要發展新型功能器件與異質融合技術?；衔锇雽w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、功能集成等領域占據主導地位，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勢，將兩者的優勢有效結合，是化合物半導體發展的必然趨勢。

將以GaAs和InP為代表的III-V族化合物半導體、以GaN和SiC為代表的第三代半導體與硅基材料集成是目前發展的重點。Si基GaAs、InP將在光電集成和量子集成等方面呈現優勢，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，重點支持硅基InP材料和集成技術研究，通過將InP材料的高頻和光電特性與硅基集成電路結合發展超高頻數模電路、光電單片系統和超級計算機用多核處理器等。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）開發大尺寸硅基III-V族化合物半導體材料技術（COSMOS項目），已在高性能數模集成電路和單片系統集成的領域廣泛應用。Si基GaN材料和器件是目前研究另一大熱點，其目的是將GaN的擊穿電壓大、功率高的優勢與硅集成電路成熟廉價的優勢結合起來，為電力電子、功率傳輸、高亮度發光等方面技術發展和普及應用提供技術支撐。2011年5月，歐洲研究機構IMEC與其合作伙伴最近成功在200mm規格硅襯底上制造出了高質量的GaN/AlGaN異質結構層，并正合作研究基于氮化鎵材料的HEMT晶體管技術，這標志著在將功率器件引入200mm規格芯片廠進行高效率生產方面取得了里程碑式的成就。由此可見，與硅基材料和技術融合將是未來信息科學技術創新突破的基礎與支撐之一。

（四）SiC電力電子器件異軍突起，引領綠色微電子發展

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用。在單晶方面，國際上一直致力于SiC襯底晶片的擴徑工作，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SiC產品的廠商越來越多，更多的領域開始使用SiC器件。法國市場調研公司YoleDevelopment提供的數據表明從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%。我國天科合達藍光半導體公司進入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、工藝技術水平的不斷提高，節能技術快速發展的需求，SiC電力電子器件的發展十分迅速，在SiC功率器件研究方面，除了SiCSBD系列化產品外，SiCMOSFET性能和可靠性進一步完善，SiC功率器件向高速、高壓、高功率方向發展，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化制造和工程化應用方向快速發展，國際廠商紛紛進入SiC器件制造領域。Cree公司的SiCSBD的開關頻率從150kHz提高到500kHz，開關損耗極小，適用于頻率極高的電源產品，如電信部門的高檔PC及服務器電源；開發10kV/50A的PiN二極管和10kV的SiCMOSFET的市場目標是10kV與110A的模塊，可用于海軍艦艇的電氣設備、效率更高和切換更快的電網系統，以及電力設備的變換器件，其SiCMOSFET更關注于混合燃料電動車輛的電源與太陽能模塊。此外，日本半導體廠商也陸續投入SiCIC量產，FujiElectricHoldings評估在子公司松本工廠生產SiC半導體器件，該公司預計2011年度開始量產；三菱電機預計2011年度在福岡制作所設置采用4寸晶圓之試產線，投入量產，產能為每月3千片。Toshiba則以2013年正式投產為目標，在川崎市的研發基地導入試產線，將運用于自家生產的鐵路相關設備上。

SiC功率器件商業化應用提速，國際SiC器件廠商不斷完善SiC功率器件系列，SiC功率器件走向實用化。三菱電機2010年實現首次將SiC肖特基勢壘二極管配置在空調上，使SiC二極管實現了實用化，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車領域擴展。SiC功率器件將出現在混合動力車及電動汽車等電動車輛的主馬達驅動用逆變器中；而且，SiC功率器件在鐵路機車應用中的時間有可能早于在汽車中的應用。

SiC器件的發展帶動功率模塊的快速發展，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、功率調節器銷售SiC模塊的通用產品，面向電動車輛及鐵路車輛銷售定制產品。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在內的綜合系統。

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

四、體會與期望

當前我國已初步解決Ku波段以下的化合物半導體器件和電路的國產化問題，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。在InP、寬禁帶化合物半導體（GaN、SiC）方面，技術和產業化方面已經有了重要的突破，形成以中電集團、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已經突破7億，互聯網用戶超過3億，數字有線電視用戶將突破1億，信息網絡建設的大發展必將給光通信產品制造業帶來巨大的市場需求，迫切希望有價格便宜的國產相關元器件，以降低成本、增強競爭力。我國各類與移動、光纖和高速電路有關的芯片需求約達到3億塊以上，估計每年產值可達數億元至幾十億元。完全有理由相信，我國的化合物半導體電子器件定會高速發展。