郝跃院士:化合物半导体电子器件研究与进展

日期:2013-01-01 阅读:2122
核心提示:截至目前,北京FAB3已实现量产并持续进行良率提升及产能爬坡,已与全球尤其是中国本土各领域多家MEMS设计厂商开展合作,产品已涉
 截至目前,北京FAB3已实现量产并持续进行良率提升及产能爬坡,已与全球尤其是中国本土各领域多家MEMS设计厂商开展合作,产品已涉及通讯、生物医疗、工业汽车、消费电子等领域;当前北京FAB3正在进行二期扩产,但根据最新情况预计,在2024/2025年其3万片/月的总产能将达到满产状态。
 
基于对MEMS在消费电子、物联网、汽车电子等终端应用市场需求扩张及长期发展趋势的判断,结合具体经营实践,赛微电子通过各种方式和努力在全球范围内建设及扩张产能;同时由于半导体制造产线的投入往往需要较多的资金和较长的周期,公司需要提前对未来产能及产线进行规划及建设准备,并针对行业技术发展趋势及未来客户需求作出预判及应对。(来源:长江商报)
 
一、引言
 
化合物半导体具有饱和速度高、能带易剪裁、带隙宽等特性,在超高频、大功率、高效率等方面表现出优越的性能,因此,化合物半导体电子器件已经成为发展信息大容量传输和高速处理、获取的重要器件。以砷化镓(GaAs)为代表的第二代半导体技术日趋成熟,已广泛地应用于无线通信、光电通信等领域,成为目前高端信息通信领域的主流;继硅(Si)之后,GaAs、磷化铟(InP)和第三代半导体(宽禁带半导体)的氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)材料和器件成为目前国际上研究的热点。InP材料具有电子迁移率高和饱和漂移速率大的特点,是实现毫米波电路和太赫兹电子器件的主要选择;GaN作为第三代宽禁带化合物半导体,具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和击穿场强等优点,器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上,成为大功率固态微波器件发展的最佳选择。SiC电力电子器件由于频率高、开关损耗小、效率高等优良特性,成为绿色能源发展的必然趋势。
 
化合物半导体材料和器件经过半个世纪的发展,特别是近二十年的突飞猛进,通过发挥化合物半导体材料的优良特性,在高频、大功率、高效率等方面与硅基集成电路形成互补,已经广泛地应用于信息社会的各个领域,如无线通信、电力电子、光纤通信、国防科技等等。近几年,随着材料生长、器件工艺、电路集成等技术不断发展,以及新结构、新原理等不断突破,化合物半导体领域未来发展趋势呈现四个主要方向:1)充分挖掘材料的优势,引领信息器件频率、功率、效率的发展方向;2)高迁移率化合物半导体材料:延展摩尔定律的新动力;3)与硅基材料和技术融合,支撑信息科学技术创新突破;4)SiC电力电子器件异军突起,引领绿色微电子发展。
 
针对上述化合物半导体材料和器件的发展趋势,如何充分发挥化合物半导体器件在超高频、大功率、高效率等方面的优势,解决信息大容量传输和高速处理、获取的难题,依然存在如下关键问题:1)化合物半导体材料原子级调控与生长动力学研究,它是实现低缺陷、高性能化合物材料的关键。2)大尺寸、大失配硅基化合物半导体材料生长,这是未来化合物半导体跨越式发展的核心。3)超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律,是探索新原理、高性能化合物器件的基础。4)化合物半导体器件与集成技术中电、磁、热传输机理与耦合机制,是实现化合物半导体器件研究到电路应用的纽带。

二、化合物半导体领域发展现状

(一)化合物半导体领域研究背景
 
二十一世纪是通信和网络的时代。随着通信容量的爆炸性增长,作为未来主要的通信手段,光纤通信和移动通信的工作频率越来越高,这对通信系统中的核心器件及关键电路的性能(频率、功率及噪声等)提出了越来越高的要求。光纤通信主要采用2.5Gb/s和10Gb/s的密集波分复用技术,随着信息传输容量的飞速增长,提高单个信道的传输速度已经成为降低信息传输成本的必然途径。目前国际上40Gb/s、100Gb/s、160Gb/s的TDM传输系统已经在实验室研制成功,预计在未来5-10年将会逐渐进入市场;在移动通信方面,随着第三代移动通信的普及和第四代手机的研发,手机芯片已开始向更多频带、更大带宽、更高集成度方向发展;卫星通信的频率则更高,民用卫星通信也已进入C波段(4-8GHz)和Ku波段(12.4-18GHz);在物联网的无线互连方面,要求功率附加效率高、信道噪声低的无线收发模块;毫米波(30-300GHz)通信、雷达与成像在军事领域中的研究和应用也很活跃。总之,更高的工作频率、更快的传输速度、更远的无线连接距离、更快的信息处理能力代表了21世纪信息产业的发展方向。
 
(二)化合物半导体领域发展现状
 
随着新材料技术的发展,化合物半导体由于其优异的物、化以及电学特性,异军突起,基于GaAs、InP、GaN、SiC等半导体材料的核心芯片以其高性能、多功能、集成化的优势在各类信息系统中发挥着关键作用。
 
以GaAs为代表的第二代半导体技术日趋成熟,已广泛地应用于无线通信、光电通信等领域,成为目前高端信息通信领域的主流。但是在星用高可靠技术、以及基于E/D工艺的多功能集成技术等方面尚有许多应用有待拓展。而InP技术随着应用领域不同向着高工作频率(毫米波、THz)和超高速(DDS时钟速率大于>30GHz)发展,对InP基HEMT和HBT技术提出了迫切需求。InP器件截至频率达到766GHz,UCSB开发出324GHzMMIC,3mmInPHEMT器件输出功率大于25dBm,BAE公司研制出了工作频率达24GHz的InPDDS,其中相位累加器为12比特,整个电路共集成了4470个单管。InP技术已经成为高频、高速、混合信号技术的主流趋势。
 
而新兴的以GaN、SiC为代表的第三代半导体(宽禁带半导体)技术近年来突飞猛进。GaN由于其更高的击穿电压和饱和迁移率,具有更高的输出功率,功率密度达到GaAs的10倍;而宽禁带半导体的工作电压达到30~100V甚至更高,可有效提高系统效率。而SiC衬底拥有极好的热传导性,可以在200℃以上的高温环境下工作。目前,SiC单晶衬底尺寸由3英寸向4英寸发展,并正在开发硅等低成本衬底的GaN,应用于移动通讯;美国TriQuint公司研制的SiC基GaNHEMT器件,输出功率100W,效率大于55%,微波可靠性不断提升,GaN器件平均无故障时间超过1E7小时。SiC电力电子器件已开发出10kV110A(兆瓦级)模块,SiCMOSFET、IGBT等新结构器件不断涌现,在直流输变电、电驱动等新型系统中有迫切需求。随着材料和工艺的稳定,在美国宽禁带半导体目前已出现代工线,可以面向美国国内开放服务。宽禁带半导体技术已成为未来大功率技术的必然发展趋势,将在雷达探测、通讯、电子对抗、动力系统等各类信息系统中发挥革命性作用。下面,将从材料类型不同角度对GaAs、InP、GaN、SiC、其他材料的国内外发展现状进行阐述。
 
1.GaAs材料和器件发展现状
 
以GaAs为代表的化合物半导体器件在高频、高速、高带宽以及微波毫米波集成电路中具有明显的优势,国际上的化合物半导体材料与器件的研究已经成为一大持续升温的热点领域。化合物半导体高频器件与电路是实现高速光纤通信系统、高频移动通信系统必不可少的关键部件。并且在新兴的汽车防撞系统、卫星定位系统以及军用微波/毫米波雷达系统等领域具有广阔的应用前景。随着今后通信系统频率的不断提高,它的优势会更加突出,将会形成巨大的市场需求与经济效益。更为重要的是,随着微电子技术发展到22纳米节点后,硅基集成电路正面临来自物理与技术的双重挑战,采用高迁移率化合物半导体来替代硅材料延展摩尔定律已经成为近期微电子前沿领域的研究热点,学术界普遍认为,化合物半导体将在微电子领域引发一场意义深远的技术革命。
 
目前,以砷化镓(GaAs)为代表的化合物半导体高频器件及电路技术已经进入了成熟期,已被大量应用于高频通信领域,尤其是移动通信和光纤通信领域,到2009年其市场规模已经达到了45亿美元。随着GaAsIC制造成本的大幅度下降,它们在功率放大器、低噪声放大器和射频开关电路在移动通信RF前端占据了主要地位,手机与移动基站的芯片是GaAsIC最大的市场,约占其市场份额的45%左右;随着DWDM驱动光纤通信容量的增加,GaAsIC在SONET芯片方面的需求大幅度增加,其市场份额大约为22%。工业、汽车、计算机和军事市场占据了GaAsIC市场的34%,工业市场主要是高频高速测试系统,计算机和网络速度已经达到Gb/s,需要大量LAN和WAN。汽车应用主要是防撞雷达的使用。而军事应用保持在4亿美元/每年左右。目前,国际上生产民用GaAs器件及电路的代表性企业有美国的VITESSE、TRIQUINT、ANADIGICS、MOTONOLA、LUCENT、ALPHA、AGILENT、HP;日本的NTT、Oki、Fujisu;德国的西门子;台湾的稳懋、宏捷、全球联合通讯以及尚达等。大量事实已证明:砷化镓器件及电路是一项技术含量高、利润率高,市场前景和经济效益不可低估的高技术产业。正因为目前市场需求强劲,今后发展前景看好,近年来国际上许多公司纷纷上马新的GaAs制造线。尤其是美、日、德等国的大公司(例如:Vitesse、Anadigics、Siemens、Triquint、Motorola、Alpha等公司)相继建成或正在新建6英寸GaAs生产线,今年这些公司都将由4英寸转入6英寸大规模生产。他们生产的主要产品是移动通信射频电路(如GaAs手机功率放大器和低噪声放大器电路等)以及光纤通信发射和接收电路(如GaAs激光驱动器、接收器、复用器及解复用器、时钟恢复电路等)、微波功率晶体管及功率放大器等各种系列的产品。
 
我国GaAs材料和器件的研究起步较早,早在1970年就开始低噪声GaAsMESFET的研究工作,并于1978年设计定型了国内第一只砷化稼微波低噪声场效应管,1974年开始研究砷化稼功率器件,在1980年国内首次定型砷化稼微波功率场效应管。进入改革开放后,由于受到国外成熟产品的冲击,GaAs器件和电路的研究特别是民用器件的研究进入低谷期,重点开展军用GaAs器件和电路的研制和攻关。2004年后,GaAs材料和器件进入高速发展期,国内成立了以中科稼英公司、中科圣可佳公司为代表多家GaAs单晶和外延材料公司,开始小批量材料供应,并取得一定的市场份额。中科院微电子所通过自主创新率先在国内建立了4英寸GaAs工艺线,并成功地研制出10Gb/s激光调制器芯片等系列电路。传统的器件研制单位中电集团13所和55所通过技术引进完成2英寸到4英寸工艺突破,初步解决Ku波段以下的器件和电路的国产化问题,其中8-12GHzT/R组件套片已成功地应用大型系统中,但在成品率、一致性、性价比等方面尚存在一定的差距,在民品市场中尚缺乏竞争力。Ka波段以上的GaAs器件和电路尚没有产品推出,严重地制约了我国信息化建设。
 
目前,GaAs电路芯片由多家美、日、德等国的大公司(例如:Vitesse、Anadigics、Siemens、Triquint、Motorola、Alpha、HP、Oki、NTT等公司)供应,国内手机和光纤通信生产厂家他们对元器件受国外制约甚为担忧,迫切希望国内有能提供稳定供货的厂家。由于GaAsIC产品尚未达到垄断的地步,随着国家对高新技术产业扶持政策的出台,这正是发展GaAs电路产业化的绝好的市场机会。只要我们能形成一定的规模生产,开发生产一系列高质量高性能的电路,完全有可能占领大部国内市场,并可进入国际市场竞争。
 
2.InP材料和器件国内外发展现状
 
InP基半导体材料是以InP单晶为衬底而生长的化合物半导体材料,包括InGaAs、InAlAs、InGaAsP以及GaAsSb等材料。这些材料突出的特点是材料的载流子迁移率高、种类非常丰富、带隙从0.7到将近2.0eV、有利于进行能带剪裁。InP基器件具有高频、低噪声、高效率、抗辐照等特点,成为W波段以及更高频率毫米波电路的首选材料。InP基三端电子器件主要有InP基异质结双极晶体管(HBT)和高电子迁移率晶体管(HEMT)。衡量器件的频率特性有两个指标:增益截止频率(fT)和功率截止频率(fmax)。这两个指标决定了电路所能达到的工作频率。InP基HBT材料选用较宽带隙的InP材料作为发射极、较窄带隙的InGaAs材料作为基极、集电极的材料根据击穿电压的要求不同可以采用InGaAs材料或InP材料,前者称为单异质结HBT,后者称为双异质结HBT,且后者具有较高的击穿电压。InP基HEMT采用InGaAs作为沟道材料、InAlAs作为势垒层,这种结构的载流子迁移率可达10000cm2/Vs以上。
 
以美国为首的发达国家非常重视对InP基器件和电路的研究。从上世纪九十年代起,美国对InP基电子器件的大力支持,研究W波段及更高工作频率的毫米波电路以适应系统不断提高的频率要求。最先获得突破的是InP基HEMT器件和单片集成电路(MMIC)。在解决了提高沟道迁移率、T型栅工艺、欧姆接触以及增加栅控特性等关键问题后,2002年研制成功栅长为25nm的HEMT器件,fT达到562GHz,通过引入InAs/InGaAs应变沟道,实现栅长为35nm器件的fmax达到1.2THz。InP基HEMT器件在噪声和功率密度方面都具有优势:MMIC低噪声放大器(LNA)在94GHz下的噪声系数仅为2.5dB、增益达到19.4dB;PA的功率达到427mW、增益达到10dB以上。美国的NorthropGrumman公司形成了一系列W波段MMIC产品。采用截止频率达到THz的InP基HEMT器件,也已经研制成功大于300GHz的VCO、LNA和PA系列MMIC,并经过系统的演示验证。
 
InP基HBT的突破是在本世纪初,美国加州大学圣巴巴拉分校的M.Rodwell领导的研究组率先将InP基HBT的fT和fmax提高到200GHz以上。其后采用采用转移衬底技术实现的HBT,fT为204GHz,fmax超过1000GHz;2007年,Illinois大学制作成功发射极宽度为250nm的SHBT,其fT超过800GHz,fmax大于300GHz;为了解决SHBT中击穿电压低的问题,2008年UCSB设计实现了无导带尖峰的双异质结HBT(DHBT),fT突破500GHz,fmax接近800GHz,击穿电压大于4V;采用GaAsSb基极,与发射极和集电极的InP材料形成II-型能带结构的InPDHBT的fT大于600GHz,并具有很好的击穿特性。在器件突破的同时,国外的InP基单片集成功率放大器(PA)、和压控振荡器(VCO)的工作频率都被推进到300GHz以上。据报道,国外3毫米波段(100GHz)的系统已经进入实用化阶段,频率高达300GHz的演示系统也已出现。
 
我国InP基材料、器件和电路的研究起步较晚,近些年取得了长足的进步。在InP单晶方面,国内拥有20多年研究InP单晶生长技术和晶体衬底制备技术的经验和技术积累,已经实现了2和3英寸的InP单晶抛光衬底开盒即用,其位错密度等方面与国外衬底材料相当,近年来一直为国内外用户批量提供高质量2和3英寸InP单晶衬底;在外延材料方面,中科院在InP衬底上实现了InP基HBT和HEMT器件结构,并突破了复杂结构的HBT材料的生长,实现了高质量的InP基HBT外延材料,生长的InP基HEMT外延材料的载流子迁移率大于10000cm2/Vs,并已实现了向器件研制单位小批量供片;在器件研制方面,2004年前主要开展InP基光电器件的研制,如肖特基二极管、光电探测器等。2004年随着973项目“新一代化合物半导体电子材料和器件基础研究”的启动,InP基电子器件和电路的研究才逐渐得以重视,目前中科院和中电集团先后在3英寸InP晶圆上实现了亚微米发射极宽度的InP基HBT和亚100nmT型栅的InP基HEMT器件,截止频率超过300GHz。在毫米波电路的研究方面,中科院和中电集团已成功地研制出W波段的低噪声放大器、功率放大器和VCO样品;此外采用InPDHBT工艺实现了40GHz分频器、比较器和W波段的倍频器、混频器等系列芯片,为W波段系统的应用奠定了基础。
 
3.GaN材料和器件发展现状
 
氮化镓(GaN)作为第三代宽禁带半导体的代表,具有大的禁带宽度、高的电子迁移率和击穿场强等优点,器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上。由于其高频率、高功率、高效率、耐高温、抗辐射等优异特性,可以广泛应用于微波毫米波频段的尖端军事装备和民用通信基站等领域,因此成为全球新一代固态微波功率器件与材料研究的前沿热点,有着巨大的发展前景。
 
GaN基HEMT结构材料和器件是当前国际上及其重视的研究方向。以美国为首的西方国家都将GaN基微波功率器件视为下一代通讯系统和武器应用的关键电子元器件,并设立专项研究计划进行相关研究,如美国国防先期研究计划局(DARPA)的宽禁带半导体计划“WBGS”,提出了从材料、器件到集成电路三阶段的研究计划,并组织三个团队在X波段、宽带和毫米波段对GaN基HEMT及其微波单片集成电路(MMIC)进行攻关。在宽禁带半导体计划取得重要进展的基础上,美国DARPA在2009年又启动了面向更高频率器件的NEXT项目,预计4-5年内将器件的频率提高到500GHz。目前,在GaN基微电子材料及器件研究领域,美国和日本的研究处于世界领先水平,美国主要研究机构有UCSB大学、Cree公司、APA公司、Nitronex公司、Cornell大学、USC大学等,日本的主要研究机构有名古屋理工学院、NEC公司、Fujitsu公司和Oki公司等。2003年,ITRSroadmap中指出:GaN基器件在高偏压、大功率、大功率密度等应用领域具有巨大潜力,是功率器件固态化的首选。德国夫琅和费固态物理应用学会也在2005年的年度报告中指出:由于GaN基HEMT器件具有的大动态范围和良好的线性,它将成为未来更大功率的基站、雷达系统使用的功率器件。经过近十年的高速发展和投入,GaN功率器件和电路取得令人瞩目的成就,主要在宽带、效率、高频三个领域全面超越GaAs器件,成为未来应用的主流。在宽带电路方面,实现了2-18GHz和6-18GHz宽带GaN微波功率单片电路,连续波输出功率达到了6-10W,功率附加效率为13%-25%;在高效率方面,X波段MMIC输出功率20W,功率附加效率达到了52%。X波段内匹配功率器件脉冲输出功率60.3W,功率附加效率高达43.4%。2011年,Hossein报道了3.5GHz下的功率器件,效率达到80%。2010年M.Roberg研制的F类功率放大器件,在2.14GHz,输出功率8.2W,效率达到84%;在高频率方面,美国HRL实验室报道了12路GaNMMIC波导合成的毫米波功率放大器模块,在95GHz下,输出功率超过100W的GaNMMICs功放合成模块;2011年,美国Raytheon公司报道了三款分别针对于高效率、高增益、高输出功率的毫米波GaNMMIC电路,在95GHz下,最高增益为21dB;在91GHz下,最高PAE大于20%;在91GHz下,最高输出功率为1.7W。同时,长期困扰GaN功率器件实用化的瓶颈:可靠性问题,随着材料、工艺和器件结构等技术水平的提高,已实现了MTTF达到108小时。2010年,美国Triquint公司宣布推出3英寸GaN功率器件代工线服务,并发布了覆盖2-18GHz的系列器件和电路,这标志着GaN产品时代正式到来。
 
我国GaN功率器件和电路的研究起步较早,材料和器件的研究取得了突破性进展:3英寸半绝缘4H-SiC单晶电阻率大于108Ω?cm,微管缺陷密度低于30个/cm2,并实现了小批量供货;SiC衬底HEMT结构材料的室温方块电阻小于270W/?,室温2DEG迁移率和面密度乘积达到2.4x1016/Vs,蓝宝石衬底HEMT结构材料的室温2DEG迁移率大于2180cm2/V.s,室温2DEG浓度与迁移率的乘积大于2.3?1016/V.s,室温方块电阻小于280W/?,达到国际先进水平。在器件和电路方面,国内建立了四条GaN功率器件研制线,研制出覆盖C-Ka波段系列内匹配器件和电路。X波段和Ka波段器件输出功率密度分别达17W/mm和3W/mm以上;8-12GHzGaNMMIC脉冲输出功率20W,功率附加效率为32%;15-17GHzGaNMMIC脉冲输出功率17W,功率附加效率为27%;Ku波段内匹配器件脉冲输出功率20W,功率附加效率大于25%;Ka波段MMIC脉冲输出功率达到3W,W波段器件fT大于174GHz、fmax为215GHz。上述器件和电路的技术指标达到国际先进水平,但在可靠性方面尚存在一定的差距,目前处于样品阶段。2011年,我国重大专项启动“中国宽禁带半导体推进技术”,重点开展3英寸GaN器件工艺线建设和器件可靠性推进工程,最终实现“用的上、用的起”GaN功率器件和电路,实现与国际的同步发展和竞争。
 
4.SiC材料和器件发展现状
 
二十一世纪初,美国国防先进研究计划局(DARPA)启动宽禁带半导体技术计划(WBGSTI),极大推动了宽禁带半导体技术的发展。
 
在SiC单晶材料方面,主流的SiC晶片是3-4英寸,6英寸SiC晶片将很快进入市场。美国Cree公司作为全球SiC晶片行业的先行者,在2007年就可提供商用无微管缺陷的100mm(4英寸)SiC衬底片;2010年8月展示了其新成果,150mm(6英寸)的SiC衬底片,每平方厘米微管密度小于10个。美国DowCorning公司、II-V公司,日本新日铁和已被日本罗姆公司收购的德国SiCystal公司等都可提供直径4英寸的SiC衬底片。日本新日铁计划2011年内向客户提供6英寸SiC晶片样品,预计2015年前后量产。
 
在SiC功率器件方面,基于4HSiC材料的肖特基二极管(SBD)系列、JFET,以及MOSFETs晶体管已经实现量产,代表的公司主要有美国的Cree、SemiSouth、GE,德国的英飞凌、SiCED,日本的ROHM、三菱、日立、电装(DENSO)等公司。目前,商业化的SiC二极管主要是SBD,已经系列产品化,阻断电压范围600V~1700V,电流1A~50A。主要生产厂商有:美国Cree(最大额定电流50A,反向阻断电压1700V)、美国SemiSouth(最大额定电流30A,反向阻断电压1200V)、和德国Infineon(最大额定电流15A,反向阻断电压1200V),以及日本Rohm(最大额定电流10A,反向阻断电压600V)等公司。商业化的SiC晶体管包括SemiSouth公司推出的SiCJFET(阻断电压为1200V和1700V,电流为3A~30A)以及TranSiC公司推出的BJT器件(阻断电压为1200V和1700V,电流从6A~20A)。另外,美国Cree公司、日本Rohm公司已经可以量产600~1200VSiCDMOS,并开始提供功率模块样品。
 
SiC肖特基二极管的应用可大幅降低开关损耗并提高开关频率,广泛用于如空调、数码产品DC、DV、MP4、PC、工业控制服务器等领域。在航空航天等高新技术产业,SiC器件的应用能够有效减小系统的体积,同时具有优异的抗辐射性能。SiC电力电子器件市场从2010年开始扩展,可望出现60~70%以上的年增长率,并在2015年达到8亿美元的市场规模。其中,占主要市场份额的SiC电力电子器件形式和应用领域依次为混合动力车专用MOSFET、SBD器件和功率因数校正电路用SBD器件。
 
宽禁带半导体SiC材料除了用于制作高频和功率器件外,满足军事、航天应用中高温、高腐蚀环境需求的功率器件、抗辐照器件、气体传感器、高温传感器等也是SiC器件发展的一个重要领域。
 
(三)关注化合物半导体的一些难题
 
在信息社会,人们对信息大容量传输和高速处理、获取的提出越来越高的要求,使得微电子科学与技术面临许多严峻的挑战。如何充分发挥化合物半导体器件在超高频、大功率方面的优势,从而实现微电子器件和集成电路从吉赫兹到太赫兹的跨越,解决信息大容量传输和高速处理、获取的难题,依然存在若干关键问题:
 
1.化合物半导体材料原子级调控与生长动力学
 
化合物半导体材料与Si材料最大的区别在于化合物半导体是由二元、三元、四元系材料组成。结构材料是借助先进的MBE和MOCVD设备来实现的,原子级调控是利用不同种类的原子在外延过程中的结合能、迁移率等的不同,借助高温衬底提供的激活能,控制原子占据不同的晶格位置,在表面上迁移并结晶的动力学过程,使外延材料呈现出多样的晶体结构和物理特性,如不同原子层形成异质结构产生量子限制效应、不同大小原子构成应变材料产生应变效应和局域化效应以及同种原子占据不同的晶格位置产生不同的掺杂类型等。利用原子级调控实现材料的量子限制效应、极化效应、应变效应、局域化效应和掺杂效应完成能带剪裁和材料结构设计。如在传统AlGaN/GaNHEMT材料异质结界面插入2~3个原子层厚的AlN,可以改变材料的能带结构,更好地限制二维电子气,并显着降低对载流子的合金散射,提高材料中二维电子气的输运特性,能够实现对新材料、新结构设计的理论指导。因此,通过对化合物半导体原子级调控和生长动力学的研究是实现低缺陷、高性能化合物材料的关键问题。
 
通过深入研究化合物半导体材料原子的排列导致能带结构的变化,利用量子效应、极化效应、应变效应、能带工程设计化合物半导体的材料结构,减小载流子的有效质量,为实现超高频、太赫兹和毫米波大功率器件的材料结构设计提供理论指导;深入开展材料结构与器件宏观性能的关联性研究,通过材料结构设计提高二维电子气浓度和迁移率、减少导带尖峰、抑制电流崩塌和短沟效应,提高器件的性能;深入研究化合物半导体表面再构形成的机理,考虑半导体的表面能带弯曲对生长过程中原子的运动、结合机制影响,建立包含固相、气相和表面相的热力学模型,形成完善生长理论,解决同质和异质界面生长的动力学问题;深入研究应力场中原子运动和结合机制,掌握缺陷的形成、增殖和运动机制,解决大失配异质结构的生长、以及应力场中的高掺杂问题。
 
2.大尺寸、大失配硅基化合物半导体材料生长
 
硅基上实现高性能的化合物半导体材料一直是研究人员和工业界追求的目标,一方面,该技术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与化合物材料的结合实现多功能器件和电路的融合,如光电一体、高压低压一体、数字微波融合等等,将未来系统设计带来巨大的变革。因此,大尺寸、大失配硅基化合物半导体材料生长是未来化合物半导体跨越式发展的关键。但实现大尺寸、大失配硅基化合物半导体材料生长面临着诸多挑战和问题:一是大失配问题,硅衬底与III-V族半导体材料之间存在三种主要“失配”,即晶格常数失配、热膨胀系数失配、晶体结构失配。晶格常数失配在异质外延过程中将引入大量的位错与缺陷;热膨胀系数差异将导致热失配,在高温生长后的降温过程中产生热应力,从而使外延层的缺陷密度增加甚至产生裂纹;晶体结构失配往往导致反向畴问题。二是极性问题,由于Si原子间形成的健是纯共价键属非极性半导体,而III-V族半导体材料(如GaN)原子间是极性键属极性半导体。对于极性/非极性异质结界面有许多物理性质不同于传统异质结器件,所以界面原子、电子结构、晶格失配、界面电荷和偶极矩、带阶、输运特性等都会有很大的不同,这也是研究Si衬底III-V材料和器件所必须认识到的问题;三是硅衬底上Si原子的扩散,在高温生长过程中Si原子的扩散加剧,导致外延层中会含有一定量的Si原子,这些Si原子易于与生长气氛中的氨气发生反应,而在衬底表面形成非晶态SixNy薄膜,降低外延层的晶体质量。
 
通过研究大失配材料体系外延生长过程中位错与缺陷的形成机理与行为规律,探索外延材料质量与生长动力学之间的内在联系,研究衬底与外延层之间的介质层对初始成核的影响,解决Si与III-V族材料晶体结构不同导致的反向筹的问题,优化缓冲层技术与柔性衬底技术的结构设计、材料组分、生长条件、生长模式,降低外延层中的位错和缺陷密度,采用应力补偿与低温外延技术等方式抑制裂纹的形成与扩展,借助中断生长技术、MEE技术实现对界面的控制,从而获得低缺陷密度、高迁移率、稳定可靠的硅衬底上III-V族半导体材料。
 
3.超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律
 
化合物半导体器件由于材料自身特性,如电子迁移率高、二维电子气浓度高、击穿场强高、饱和漂移速度大等特点,非常适合于超高频、大功率器件和电路的研究,特别是在利用化合物半导体实现超高频CMOS器件、InP基实现太赫兹器件、GaN基实现毫米波大功率等方面极具潜力。但随着器件频率从吉赫兹跨越到太赫兹,器件特征尺寸(FET器件沟道尺寸、HBT器件纵向结构尺寸)缩小到纳米尺度后,器件短沟效应、量子效应、强场效应的影响日趋严重,严重地制约器件性能的提高,如在HEMT器件中,沟道中的电场不断增加,强场下器件短沟效应、量子隧穿效应恶化器件性能,而载流子微观统计引起的涨落等量子效应现象对器件性能的影响有待于进一步深入研究;在HBT器件中,随电流密度的提高,可动载流子会对集电极的电场产生屏蔽作用,使载流子的运动速度降低,使高频特性在高电流下退化;这些宏观特性与化合物半导体器件在超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律密切相关。因此,充分理解和挖掘器件在超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律是实现新原理、高性能化合物器件的关键问题。
 
在超高频、超强场、纳米尺度下,主导器件工作的基本原理将逐渐由经典物理过渡到量子力学。通过深入研究纳米尺度下化合物半导体器件非平衡载流子输运理论,理解影响超高频器件速度的关键因素究竟是载流子的饱和速度还是速度过冲以及制约载流子输运速度的因素是什么,这一问题的解决将为太赫兹新器件提供理论指导和依据,使新器件的创新乃至突破有据可依;深入研究异质结构量子隧穿效应、载流子的弹道输运及微观统计引起的涨落等现象,采用MonteCarlo等模拟方法研究纳米尺度、飞秒量级下载流子输运规律,建立一套能够描述超高频、纳米尺度化合物半导体器件的物理模型;深入研究超强场(热场、电场)下异质结构非平衡态条件下2DEG的输运行为,通过改变磁场强度、温度、栅压、光辐照等动态调制,揭示子带结构、子带占据和各种散射机制在非平衡态下、以及从非平衡态到平衡态转变过程中的变化规律,了解影响2DEG输运特性的各种物理过程。深入研究化合物半导体材料表面态、缺陷、极化效应等对载流子输运、散射、捕获及能态跃迁等机理的影响,指导高性能材料生长和器件研制。
 
4.化合物半导体器件与集成技术中电、磁、热传输机理与耦合机制
 
随着电路和系统工作频率的提高,特别是进入毫米波(30-300GHz)波段,电磁波波长与器件和系统的几何尺寸已经可以比拟,电磁波在传输过程中的相位滞后、趋肤效应、辐射效应等都不能忽略,相应的集成电路与系统的电特性分析与设计的基础是电磁场理论和传输线理论。信号传输采用微带线和共面波导形式,一方面其电磁场传播模式是具有色散效应的准TEM波,另一方面在复杂多通道的电路和系统中存在有通道间耦合,这些都将导致产生信号的畸变、信号间串扰等信号完整性问题。同时,由于集成度和功率的提高,电磁耦合和电磁辐射导致的电磁兼容性问题也愈加突出,已成为系统性能进一步提高的制约性因素。电路与系统间的热场分布与电磁场分布通过材料与结构的电特性和物理特性相互关联、相互作用,使得电路与系统的电性能和可靠性受到热效应的严重影响。
 
在化合物半导体器件与集成技术中,主导信号传输的基本原理将逐渐由电路理论延伸到电路、电磁场、热场一体化理论。通过深入研究电路和系统中电磁场、热场的传输机理与耦合机制,从电磁场理论出发,建立电磁热分析模型,利用电路和网络理论,研究电磁场量与热场量之间的关系,研究电路与系统中的电磁场-热场的广义网络分析方法,为电路和系统设计奠定理论基础。采用三维电磁场仿真结合电路网络理论,深入研究超高频数模电路的信号延时、畸变、失配、串扰、电磁泄漏与辐射、芯片混合集成的干扰和匹配等信号完整性问题和系统的电磁兼容问题,认识与理解这些问题产生的根源、机理和表现规律,为电路和系统设计优化奠定技术基础。
 
三、化合物半导体的未来趋势
 
化合物半导体材料和器件经过半个世纪的发展,特别是近二十年的突飞猛进,通过发挥化合物半导体材料的优良特性,在高频、大功率、高效率等方面与硅基集成电路形成互补,已经广泛地应用于信息社会的各个领域,如无线通信、电力电子、光纤通信、国防科技等等。近几年,随着材料生长、器件工艺、电路集成等技术不断发展,以及新结构、新原理等不断突破,化合物半导体领域未来发展趋势呈现四个主要方向:
 
(一)充分挖掘材料的优势,引领信息器件频率、功率、效率的发展方向
 
作为第二代化合物半导体GaAs,自出现以后引起了极大的重视,在光电子和微电子技术方面得到了飞速的发展。鉴于其迁移率远高于第一代半导体,且异质结构可以进行能带剪裁,使其在微电子领域倍受重视。美国上世纪80年代中期启动了MIMIC计划,充分挖掘GaAs材料在微电子领域的应用,经过多年的研究,GaAs材料在集成电路的应用方面,特别是射频和微波领域,获得了极大的成功,广泛地应用于各种军用和民用系统之中。随着InP材料的成熟和发展,其丰富的异质结构和极高的载流子迁移率,使其在更高频率领域的应用不断推进和发展。美国的MAFET计划,利用InP材料丰富的材料特性和极高的迁移率,将MMIC电路的频率推进到100GHz以上。其后实施的TFAST计划,则将InP材料应用在超高速电路领域,到项目结束时InP基数字电路的工作频率提高到10GHz以上,MMIC电路的频率突破300GHz,显示了InP材料在高频领域应用的优势。受此鼓舞,美国启动了THz电子学研究计划,计划充分挖掘InP基材料在高频领域的优势,将电路的工作频率推进到太赫兹领域。在今后相当长的一段时间里,具有优异特性的InP基材料和电路将成为研究的热点。
 
GaN和SiC作为第三代半导体材料,具有非常高的禁带宽度和功率处理能力,在功率半导体领域发挥了非常重要的作用。美国国防先进研究计划局(DARPA)启动宽禁带半导体技术计划(WBGSTI),极大推动了宽禁带半导体技术的发展。采用GaN基异质材料和极化效应,可以得到非常高的载流子面密度,提高器件的功率密度。充分挖掘GaN材料的特性,现有的GaN微波电路的工作频率已经进入到W波段,其功率密度远远超过其他半导体材料,并有向更高频率不断发展的趋势。
 
SiC材料具有大的禁带宽度、高饱和电子漂移速度、高击穿电场强度、高热导率、低介电常数和抗辐射能力强等优良的物理化学特性和电学特性,在高温、大功率、抗辐射等应用场合是理想的半导体材料之一。从现有的研究结果来看,SiC电力电子器件的频率高、开关损耗小、效率高。美国和日本的半导体公司纷纷投入巨资进行SiC电力电子器件的研发。Cree公司的SiCSBD的开关频率从150kHz提高到500kHz,开关损耗极小,适用于频率极高的电源产品,如电信部门的高档PC及服务器电源;开发10kV/50A的PiN二极管和10kV的SiCMOSFET的市场目标是10kV与110A的模块,可用于海军舰艇的电气设备、效率更高和切换更快的电网系统,以及电力设备的变换器件,其SiCMOSFET更关注于混合燃料电动车辆的电源与太阳能模块。此外,日本半导体厂商也陆续投入SiCIC量产,FujiElectricHoldings评估在子公司松本工厂生产SiC半导体器件,该公司预计2011年度开始量产;三菱电机预计2011年度在福冈制作所设置采用4寸晶圆之试产线,投入量产,产能为每月3千片。Toshiba则以2013年正式投产为目标,在川崎市的研发基地导入试产线,将运用于自家生产的铁路相关设备上。充分挖掘SiC材料的优势,开发新的工艺,实现高效的电力电子器件将是今后发展的重点和研究的热点。
 
(二)高迁移率化合物半导体材料:延展摩尔定律的新动力
 
在过去的四十多年中,以硅CMOS技术为基础的集成电路技术遵循“摩尔定律”通过缩小器件的特征尺寸来提高芯片的工作速度、增加集成度以及降低成本,集成电路的特征尺寸由微米尺度进化到纳米尺度,取得了巨大的经济效益与科学技术的重大进步,被誉为人类历史上发展最快的技术之一。然而,随着集成电路技术发展到22纳米技术节点及以下时,硅集成电路技术在速度、功耗、集成度、可靠性等方面将受到一系列基本物理问题和工艺技术问题的限制,并且昂贵的生产线建设和制造成本使集成电路产业面临巨大的投资风险,传统的硅CMOS技术采用“缩小尺寸”来实现更小、更快、更廉价的逻辑与存储器件的发展模式已经难以持续。因此,ITRS清楚地指出,“后22纳米”CMOS技术将采用全新的材料体系、器件结构和集成技术,集成电路技术将在“后22纳米”时代面临重大技术跨越及转型。
 
III-V族化合物半导体(尤其是GaAs、InP、InAs、InSb等化合物半导体)的电子迁移率大约是硅的4-60倍,在低场和强场下具有优异的电子输运性能,并且可以灵活地应用异质结能带工程和杂质工程同时对器件的性能进行裁剪,被誉为新一代MOS器件的理想沟道材料。为了应对集成电路技术所面临的严峻挑战,采用与硅工艺兼容的高迁移率III-V族化合物半导体材料替代应变硅沟道,以大幅度提高逻辑电路的开关速度并实现极低功耗工作的研究已经发展成为近期全球微电子领域的前沿和热点。美国、欧洲、日本等各主要发达国家都在加大相关研究的投入力度,各半导体公司如Intel、IBM、TSMC、Freescale等都在投入相当的人力和物力开展高迁移率CMOS技术的研究,力图在新一轮的技术竞争中再次引领全球集成电路产业的发展。2008年,欧盟委员会投资1500万欧元(约合1.4亿人民币)开展“DUALLOGIC”项目研究,以欧洲微电子研究中心(IMEC)为研发平台,联合IBM、AIXTRON、意法半导体(STMicroelectronics)、恩智浦半导体(NXPSemiconductor)等9家单位,对高迁移率III-V族化合物半导体材料应用于“后22纳米”高性能CMOS逻辑电路进行技术攻关,被誉为欧盟CMOS研究的“旗舰”项目。
 
在Intel、IBM等国际着名半导体公司的大力推动下,高迁移率III-VMOS器件的研究取得了一系列突破性进展:(1)与同等技术水平的硅基NMOS技术相比,高迁移率III-VNMOS技术具有显着的速度优势(速度提高3-4倍)、超低的工作电压(0.5V电源电压)和极低的功耗(动态功耗降低一个数量级);(2)与新兴的分子、量子器件相比(例如有机分子器件、碳基纳米器件),III-V族化合物半导体材料已广泛应用于微波电子与光电子器件领域,人们对其材料属性与器件物理的了解十分深入,其制造技术与主流硅工艺的兼容性好;(3)III-V族化合物半导体是光发射与接收的理想材料,这将为极大规模集成电路(ULSI)中光互连技术以及集成光电子系统的发展带来新的契机。
 
鉴于高迁移率CMOS技术的重大应用前景,采用高迁移率III-V族半导体材料替代应变硅沟道实现高性能CMOS的研究已经发展成为近期微电子领域的研究重点,2009年至2011年的国际电子器件会议(IEDM)每年有超过10篇高迁移率III-VMOS器件的研究论文。近年来,ITRS也将高迁移率III-V族化合物材料列为新一代高性能CMOS器件的沟道解决方案之一。根据Intel公司的预计,高迁移率III-VMOS技术将在2015年左右开始应用于11纳米CMOS技术节点。
 
目前,在世界范围内尚处于起步阶段的高迁移率CMOS技术的研究现状,为我国在“后22纳米”CMOS领域的研究提供了自主创新的新机遇。如果我们能够抓住机遇,在集成电路技术的前沿领域实现突破,这将打破我国微电子研究长期追赶国际前沿、无法取得核心技术的被动局面。
 
(三)与硅基材料和技术融合,支撑信息科学技术创新突破
 
随着信息技术向推动人类社会在健康、环境、安全、新价值深入发展的新技术范畴发展,传统CMOS技术不能满足所有信息系统在现实世界的各种不同需求,例如无线电频率和移动电话,高压开关与模拟电路非数字的功能,以及汽车电子照明和电池充电器、传感器和执行器和至关重要的控制汽车运动的安全系统电路,这些新的电子应用领域需要发展新型功能器件与异质融合技术。化合物半导体在功率、频率、光电集成、信息传感、量子新器件等方面具有巨大的优势,而硅基材料和集成电路在信号处理与计算、功能集成等领域占据主导地位,同时在性价比、工艺成熟度等方面具有化合物不可比拟的优势,将两者的优势有效结合,是化合物半导体发展的必然趋势。
 
将以GaAs和InP为代表的III-V族化合物半导体、以GaN和SiC为代表的第三代半导体与硅基材料集成是目前发展的重点。Si基GaAs、InP将在光电集成和量子集成等方面呈现优势,美国先后投资5.4亿美金开展CosMOS、硅基光电单片集成、光互连等计划,重点支持硅基InP材料和集成技术研究,通过将InP材料的高频和光电特性与硅基集成电路结合发展超高频数模电路、光电单片系统和超级计算机用多核处理器等。其中,美国国防部高级研究计划局投资1820万美元(约合1.2亿人民币)开发大尺寸硅基III-V族化合物半导体材料技术(COSMOS项目),已在高性能数模集成电路和单片系统集成的领域广泛应用。Si基GaN材料和器件是目前研究另一大热点,其目的是将GaN的击穿电压大、功率高的优势与硅集成电路成熟廉价的优势结合起来,为电力电子、功率传输、高亮度发光等方面技术发展和普及应用提供技术支撑。2011年5月,欧洲研究机构IMEC与其合作伙伴最近成功在200mm规格硅衬底上制造出了高质量的GaN/AlGaN异质结构层,并正合作研究基于氮化镓材料的HEMT晶体管技术,这标志着在将功率器件引入200mm规格芯片厂进行高效率生产方面取得了里程碑式的成就。由此可见,与硅基材料和技术融合将是未来信息科学技术创新突破的基础与支撑之一。
 
(四)SiC电力电子器件异军突起,引领绿色微电子发展
 
多年来,由于SiC材料和器件的制备工艺难度大、成品率低,因而价格较高,影响其向民用市场的推广应用。在单晶方面,国际上一直致力于SiC衬底晶片的扩径工作,主要原因是使用大直径SiC衬底(如6英寸衬底)不但可提高生产效率,而且也有助于减少器件的制造成本。
 
自2007年至今,市场上的商用SiC衬底片从50mm发展到150mm,SiC衬底的直径越来越大,并且位错、微管等缺陷的密度越来越低,从而使SiC器件的成品率提高、成本降低,生产SiC产品的厂商越来越多,更多的领域开始使用SiC器件。法国市场调研公司YoleDevelopment提供的数据表明从2005年至2009年SiC器件市场的年增长率为27%,从2010年至2015年的年增长率将为60%~70%。我国天科合达蓝光半导体公司进入SiC衬底市场后,迅速降低了国际上SiC衬底的价格,从而推动SiC器件的更快普及。
 
随着SiC衬底尺寸的加大、工艺技术水平的不断提高,节能技术快速发展的需求,SiC电力电子器件的发展十分迅速,在SiC功率器件研究方面,除了SiCSBD系列化产品外,SiCMOSFET性能和可靠性进一步完善,SiC功率器件向高速、高压、高功率方向发展,包括:SiCBJT器件、高压SiCPiN器件,以及SiCIGBT器件。SiC器件从实验室向商业化制造和工程化应用方向快速发展,国际厂商纷纷进入SiC器件制造领域。Cree公司的SiCSBD的开关频率从150kHz提高到500kHz,开关损耗极小,适用于频率极高的电源产品,如电信部门的高档PC及服务器电源;开发10kV/50A的PiN二极管和10kV的SiCMOSFET的市场目标是10kV与110A的模块,可用于海军舰艇的电气设备、效率更高和切换更快的电网系统,以及电力设备的变换器件,其SiCMOSFET更关注于混合燃料电动车辆的电源与太阳能模块。此外,日本半导体厂商也陆续投入SiCIC量产,FujiElectricHoldings评估在子公司松本工厂生产SiC半导体器件,该公司预计2011年度开始量产;三菱电机预计2011年度在福冈制作所设置采用4寸晶圆之试产线,投入量产,产能为每月3千片。Toshiba则以2013年正式投产为目标,在川崎市的研发基地导入试产线,将运用于自家生产的铁路相关设备上。
 
SiC功率器件商业化应用提速,国际SiC器件厂商不断完善SiC功率器件系列,SiC功率器件走向实用化。三菱电机2010年实现首次将SiC肖特基势垒二极管配置在空调上,使SiC二极管实现了实用化,同时,三菱还积极推动二极管与晶体管都采用SiC功率器件的功率模块的“全SiC”化。从中期来看,SiC功率器件将向汽车和铁路机车领域扩展。SiC功率器件将出现在混合动力车及电动汽车等电动车辆的主马达驱动用逆变器中;而且,SiC功率器件在铁路机车应用中的时间有可能早于在汽车中的应用。
 
SiC器件的发展带动功率模块的快速发展,部分SiC器件厂商计划将SiC功率器件以模块形式销售,面向空调、功率调节器销售SiC模块的通用产品,面向电动车辆及铁路车辆销售定制产品。另外,电动车辆用途方面,除了SiC模块之外,还有可能提供包括马达在内的综合系统。
 
采用碳化硅等新型宽禁带半导体材料制成的功率器件,实现人们对“理想器件”的追求,将是下个世纪电力电子器件发展的主要趋势。
 
四、体会与期望
 
当前我国已初步解决Ku波段以下的化合物半导体器件和电路的国产化问题,但GaAs电路芯片由多家美、日、德等国的大公司(例如:Vitesse、Anadigics、Siemens、Triquint、Motorola、Alpha、HP、Oki、NTT等公司)供应。在InP、宽禁带化合物半导体(GaN、SiC)方面,技术和产业化方面已经有了重要的突破,形成以中电集团、中科院和高校为核心三支队伍。重要的是我国目前移动电话用户总数已经突破7亿,互联网用户超过3亿,数字有线电视用户将突破1亿,信息网络建设的大发展必将给光通信产品制造业带来巨大的市场需求,迫切希望有价格便宜的国产相关元器件,以降低成本、增强竞争力。我国各类与移动、光纤和高速电路有关的芯片需求约达到3亿块以上,估计每年产值可达数亿元至几十亿元。完全有理由相信,我国的化合物半导体电子器件定会高速发展。
打赏
联系客服 投诉反馈  顶部