浅析适用于射频微波等高频电路的半导体材料及工艺 -1
半导体材料是一类具有半导体性能(导电能力介于导体与绝缘体之间，电阻率约在 1mΩ·cm～1GΩ·cm 范围内)、可用来制作半导体器件和集成电路的电子材料。按种类可以分为元素半导体和化合物半导体两大类，元素半导体指硅、锗单一元素形成的半导体，化合物指砷化镓、磷化铟等化合物形成的半导体。随着无线通信的发展，高频电路应用越来越广，今天我们来介绍适合用于射频、微波等高频电路的半导体材料及工艺情况。
砷化镓 GaAs
砷化镓的电子迁移速率比硅高 5.7 倍，非常适合用于高频电路。砷化镓组件在高频、高功率、高效率、低噪声指数的电气特性均远超过硅组件，空乏型砷化镓场效晶体管(MESFET)或高电子迁移率晶体管(HEMT/PHEMT)，在 3 V 电压操作下可以有 80 %的功率增加效率(PAE: power addedefficiency)，非常的适用于高层(high tier)的无线通讯中长距离、长通信时间的需求。
砷化镓元件因电子迁移率比硅高很多，因此采用特殊的工艺，早期为 MESFET 金属半导体场效应晶体管，后演变为 HEMT ( 高速电子迁移率晶体管)，pHEMT( 介面应变式高电子迁移电晶体)目前则为 HBT ( 异质接面双载子晶体管)。异质双极晶体管(HBT)是无需负电源的砷化镓组件，其功率密度(power density)、电流推动能力(current drive capability)与线性度(linearity)均超过 FET，适合设计高功率、高效率、高线性度的微波放器，HBT 为最佳组件的选择。而 HBT 组件在相位噪声，高 gm、高功率密度、崩溃电压与线性度上占优势，另外它可以单电源操作，因而简化电路设计及次系统实现的难度，十分适合于射频及中频收发模块的研制，特别是微波信号源与高线性放大器等电路。
砷化镓生产方式和传统的硅晶圆生产方式大不相同，砷化镓需要采用磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为 4-6 英寸，比硅晶圆的 12 英寸要小得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本高出硅很多，最终导致砷化镓成品 IC 成本比较高。磊晶目前有两种，一种是化学的 MOCVD，一种是物理的 MBE。
氮化镓 GaN
在宽禁带半导体材料中，氮化镓(GaN)由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密度大等问题的困扰，发展较为缓慢，但进入 90 年代后，随着材料生长和器件工艺水平的不断发展，GaN 半导体材料及器件的发展十分迅速，目前已经成为宽禁带半导体材料中耀眼的新星。
GaN 半导体材料的应用首先是在发光器件领域取得重大突破的。1991 年，日本日亚(Nichia)公司首先研制成功以蓝宝石为衬底的 GaN 蓝光发光二极管(LED)，之后实现 GaN 基蓝、绿光 LED 的商品化。该公司利用 GaN 基蓝光 LED 和磷光技术，开发出了白光发光器件产品，具有高寿命、低能耗的特点。此外，还首先研制成功 GaN 基蓝光半导体激光器。
用 GaN 基高效率蓝绿光 LED 制作的超大屏幕全色显示，可用于室内室外各种场合的动态信息显示。高效率白光发光二极管作为新型高效节能固体光源，使用寿命超过 10 万小时，可比白炽灯节电 5～10 倍，达到了节约资源、减少环境污染的双重目的。目前，GaN 基 LED 的应用十分广泛，您每天都可能会见到它的身影，在交通信号灯里、彩色视频广告牌上、小孩的玩具中甚至闪光灯里。GaN 基 LED 的成功引发了光电行业中的革命。GaN 基蓝光半导体激光器主要用于制作下一代 DVD，它能比现在的 CD 光盘提高存储密度 20 倍以上。
利用 GaN 材料，还可以制备紫外(UV)光探测器，它在火焰传感、臭氧检测、激光探测器等方面具有广泛的应用。此外，在电子器件方面，利用 GaN 材料，可以制备高频、大功率电子器件，有望在航空航天、高温辐射环境、雷达与通信等方面发挥重要作用。例如在航空航天领域，高性能的军事飞行装备需要能够在高温下工作的传感器、电子控制系统以及功率电子器件等，以提高飞行的可靠性，GaN 基电子器件将起着重要作用，此外由于它在高温工作时无需制冷器而大大简化电子系统，减轻飞行重量。
磷化铟 InP
磷化铟是继硅和砷化镓之后又一重要的Ⅲ一 V 族化合物半导体材料，几乎在与锗、硅等第一代元素半导体材料的发展和研究的同时，科学工作者对化合物半导体材料也开始了大量的探索工作。
磷化铟(InP)作为一种新型半绝缘晶片，它的出现对于改善和提高 InP 基微电子器件的性能具有重要的意义。这种通过高温退火工艺所制备的半绝缘晶片既保持了传统原生掺铁衬底的高阻特性，同时铁浓度大幅降低，电学性质、均匀性和一致性显著提高。目前半绝缘类型 InP 衬底的生产质量亟待改善和提高。
原生半绝缘 InP 是通过在单晶生长过程中掺入铁原子来制备的。为了达到半绝缘化的目的，铁原子的掺杂浓度较高，高浓度的铁很可能会随着外延及器件工艺过程发生扩散。而且由于铁在磷化铟中的分凝系数很小，InP 单晶锭沿生长轴方向表现出明显的掺杂梯度，顶部和底部的铁浓度相差一个数量级以上，由其切割成的单晶片的一致性和均匀性就很难保证。就切割成的单个 InP 晶片而言，由于受生长时的固液界面的影响，铁原子从晶片中心向外呈同心圆状分布，这显然也不能满足一些器件应用的需要。所有这些因素是目前制约半绝缘磷化铟单晶片生产质量的最大障碍。
最近几年国内外的研究表明，通过在一定气氛下高温退火处理低阻非掺杂 InP 晶片所获得的半绝缘衬底可以克服上述问题。在 InP 晶体中，半绝缘的形成机理大致可概括为两个方面：一是通过掺入深受主(元素)补偿浅施主来实现半绝缘态，原生掺铁的半绝缘磷化铟就属于这种情况;另一种是通过新缺陷的形成使浅施主的浓度降低，同时驻留的深受主(元素)也发生补偿，非掺杂半绝缘磷化铟就属于这一类，这种新缺陷可以在高温退火以及辐照等过程中形成。根据这个思路，中科院半导体所的有关科研人员采取了三个步骤来制备非掺杂半绝缘磷化铟衬底：首先用液封直拉法拉制高纯低阻非掺杂磷化铟单晶(表面为低阻)，然后将其切割成一定厚度的晶片并封装在石英管内，最后在合适的气氛条件下进行高温退火处理。研究人员分别在纯磷气氛和磷化铁气氛下进行了数十次退火比较实验。经过对比测试和分析发现，在磷化铁气氛下退火制备的半绝缘磷化铟晶片不仅缺陷少，而且具有良好的均匀性。
为了进一步研究这种退火衬底对相邻外延层的实际影响，研究人员使用分子柬外延技术分别在原生掺铁的和磷化铁气氛退火制备的半绝缘磷化铟衬底上生长了相同的 InAlAs 外延层。测试结果表明后者更有利于生长具有良好结晶质量的外延层。此外对这两种衬底分别注入同样剂量的 Si 离子和快速退火后，霍尔测试结果证实，后者可以较大幅度提高注入离子的激活效率。
磷化铟晶片常用于制造高频、高速、大功率微波器件和电路以及卫星和外层空间用的太阳能电池等。在当前迅速发展的光纤通信领域，它是首选的衬底材料。另外 InP 基器件在 IC 和开关运用方面也具有优势。这种新型半绝缘磷化铟晶片的研制成功，将在国防和高速通信领域发挥重要作用。中国电子科技集团第十三研究所使用这种新型半绝缘磷化铟纯磷衬底成功制作了工作频率达 100GHz 的高电子迁移率晶体管。
