一、引言

化合物半導(dǎo)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(xiàn)出優(yōu)越的性能，因此，化合物半導(dǎo)體電子器件已經(jīng)成為發(fā)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(dǎo)體技術(shù)日趨成熟，已廣泛地應(yīng)用于無(wú)線通信、光電通信等領(lǐng)域，成為目前高端信息通信領(lǐng)域的主流；繼硅（Si）之后，GaAs、磷化銦（InP）和第三代半導(dǎo)體（寬禁帶半導(dǎo)體）的氮化鎵（GaN）和碳化硅（SiC）材料和器件成為目前國(guó)際上研究的熱點(diǎn)。InP材料具有電子遷移率高和飽和漂移速率大的特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)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(dǎo)體，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，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(tài)微波器件發(fā)展的最佳選擇。SiC電力電子器件由于頻率高、開(kāi)關(guān)損耗小、效率高等優(yōu)良特性，成為綠色能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。

化合物半導(dǎo)體材料和器件經(jīng)過(guò)半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，特別是近二十年的突飛猛進(jìn)，通過(guò)發(fā)揮化合物半導(dǎo)體材料的優(yōu)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(bǔ)，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于信息社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，如無(wú)線通信、電力電子、光纖通信、國(guó)防科技等等。近幾年，隨著材料生長(zhǎng)、器件工藝、電路集成等技術(shù)不斷發(fā)展，以及新結(jié)構(gòu)、新原理等不斷突破，化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)四個(gè)主要方向：1）充分挖掘材料的優(yōu)勢(shì)，引領(lǐng)信息器件頻率、功率、效率的發(fā)展方向；2）高遷移率化合物半導(dǎo)體材料：延展摩爾定律的新動(dòng)力(310328,基金吧)；3）與硅基材料和技術(shù)融合，支撐信息科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新突破；4）SiC電力電子器件異軍突起，引領(lǐng)綠色微電子發(fā)展。

針對(duì)上述化合物半導(dǎo)體材料和器件的發(fā)展趨勢(shì)，如何充分發(fā)揮化合物半導(dǎo)體器件在超高頻、大功率、高效率等方面的優(yōu)勢(shì)，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(guān)鍵問(wèn)題：1）化合物半導(dǎo)體材料原子級(jí)調(diào)控與生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)研究，它是實(shí)現(xiàn)低缺陷、高性能化合物材料的關(guān)鍵。2）大尺寸、大失配硅基化合物半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)，這是未來(lái)化合物半導(dǎo)體跨越式發(fā)展的核心。3）超高頻、超強(qiáng)場(chǎng)、納米尺度下載流子輸運(yùn)機(jī)理與行為規(guī)律，是探索新原理、高性能化合物器件的基礎(chǔ)。4）化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)中電、磁、熱傳輸機(jī)理與耦合機(jī)制，是實(shí)現(xiàn)化合物半導(dǎo)體器件研究到電路應(yīng)用的紐帶。

二、化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

（一）化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域研究背景

二十一世紀(jì)是通信和網(wǎng)絡(luò)的時(shí)代。隨著通信容量的爆炸性增長(zhǎng)，作為未來(lái)主要的通信手段，光纖通信和移動(dòng)通信的工作頻率越來(lái)越高，這對(duì)通信系統(tǒng)中的核心器件及關(guān)鍵電路的性能（頻率、功率及噪聲等）提出了越來(lái)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(fù)用技術(shù)，隨著信息傳輸容量的飛速增長(zhǎng)，提高單個(gè)信道的傳輸速度已經(jīng)成為降低信息傳輸成本的必然途徑。目前國(guó)際上40Gb/s、100Gb/s、160Gb/s的TDM傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在實(shí)驗(yàn)室研制成功，預(yù)計(jì)在未來(lái)5-10年將會(huì)逐漸進(jìn)入市場(chǎng)；在移動(dòng)通信方面，隨著第三代移動(dòng)通信的普及和第四代手機(jī)的研發(fā)，手機(jī)芯片已開(kāi)始向更多頻帶、更大帶寬、更高集成度方向發(fā)展；衛(wèi)星通信的頻率則更高，民用衛(wèi)星通信也已進(jìn)入C波段（4-8GHz）和Ku波段（12.4-18GHz）；在物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線互連方面，要求功率附加效率高、信道噪聲低的無(wú)線收發(fā)模塊；毫米波（30-300GHz）通信、雷達(dá)與成像在軍事領(lǐng)域中的研究和應(yīng)用也很活躍。總之，更高的工作頻率、更快的傳輸速度、更遠(yuǎn)的無(wú)線連接距離、更快的信息處理能力代表了21世紀(jì)信息產(chǎn)業(yè)的發(fā)展方向。

（二）化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)展現(xiàn)狀

隨著新材料技術(shù)的發(fā)展，化合物半導(dǎo)體由于其優(yōu)異的物、化以及電學(xué)特性，異軍突起，基于GaAs、InP、GaN、SiC等半導(dǎo)體材料的核心芯片以其高性能、多功能、集成化的優(yōu)勢(shì)在各類信息系統(tǒng)中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。

以GaAs為代表的第二代半導(dǎo)體技術(shù)日趨成熟，已廣泛地應(yīng)用于無(wú)線通信、光電通信等領(lǐng)域，成為目前高端信息通信領(lǐng)域的主流。但是在星用高可靠技術(shù)、以及基于E/D工藝的多功能集成技術(shù)等方面尚有許多應(yīng)用有待拓展。而InP技術(shù)隨著應(yīng)用領(lǐng)域不同向著高工作頻率（毫米波、THz）和超高速（DDS時(shí)鐘速率大于>30GHz）發(fā)展，對(duì)InP基HEMT和HBT技術(shù)提出了迫切需求。InP器件截至頻率達(dá)到766GHz，UCSB開(kāi)發(fā)出324GHzMMIC，3mmInPHEMT器件輸出功率大于25dBm，BAE公司研制出了工作頻率達(dá)24GHz的InPDDS，其中相位累加器為12比特，整個(gè)電路共集成了4470個(gè)單管。InP技術(shù)已經(jīng)成為高頻、高速、混合信號(hào)技術(shù)的主流趨勢(shì)。

而新興的以GaN、SiC為代表的第三代半導(dǎo)體（寬禁帶半導(dǎo)體）技術(shù)近年來(lái)突飛猛進(jìn)。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(dá)到GaAs的10倍；而寬禁帶半導(dǎo)體的工作電壓達(dá)到30～100V甚至更高，可有效提高系統(tǒng)效率。而SiC襯底擁有極好的熱傳導(dǎo)性，可以在200℃以上的高溫環(huán)境下工作。目前，SiC單晶襯底尺寸由3英寸向4英寸發(fā)展，并正在開(kāi)發(fā)硅等低成本襯底的GaN，應(yīng)用于移動(dòng)通訊；美國(guó)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(wú)故障時(shí)間超過(guò)1E7小時(shí)。SiC電力電子器件已開(kāi)發(fā)出10kV110A（兆瓦級(jí)）模塊，SiCMOSFET、IGBT等新結(jié)構(gòu)器件不斷涌現(xiàn)，在直流輸變電、電驅(qū)動(dòng)等新型系統(tǒng)中有迫切需求。隨著材料和工藝的穩(wěn)定，在美國(guó)寬禁帶半導(dǎo)體目前已出現(xiàn)代工線，可以面向美國(guó)國(guó)內(nèi)開(kāi)放服務(wù)。寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)已成為未來(lái)大功率技術(shù)的必然發(fā)展趨勢(shì)，將在雷達(dá)探測(cè)、通訊、電子對(duì)抗、動(dòng)力系統(tǒng)等各類信息系統(tǒng)中發(fā)揮革命性作用。下面，將從材料類型不同角度對(duì)GaAs、InP、GaN、SiC、其他材料的國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行闡述。

1.GaAs材料和器件發(fā)展現(xiàn)狀

以GaAs為代表的化合物半導(dǎo)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(yōu)勢(shì)，國(guó)際上的化合物半導(dǎo)體材料與器件的研究已經(jīng)成為一大持續(xù)升溫的熱點(diǎn)領(lǐng)域。化合物半導(dǎo)體高頻器件與電路是實(shí)現(xiàn)高速光纖通信系統(tǒng)、高頻移動(dòng)通信系統(tǒng)必不可少的關(guān)鍵部件。并且在新興的汽車防撞系統(tǒng)、衛(wèi)星定位系統(tǒng)以及軍用微波/毫米波雷達(dá)系統(tǒng)等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。隨著今后通信系統(tǒng)頻率的不斷提高，它的優(yōu)勢(shì)會(huì)更加突出，將會(huì)形成巨大的市場(chǎng)需求與經(jīng)濟(jì)效益。更為重要的是，隨著微電子技術(shù)發(fā)展到22納米節(jié)點(diǎn)后，硅基集成電路正面臨來(lái)自物理與技術(shù)的雙重挑戰(zhàn)，采用高遷移率化合物半導(dǎo)體來(lái)替代硅材料延展摩爾定律已經(jīng)成為近期微電子前沿領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，學(xué)術(shù)界普遍認(rèn)為，化合物半導(dǎo)體將在微電子領(lǐng)域引發(fā)一場(chǎng)意義深遠(yuǎn)的技術(shù)革命。

目前，以砷化鎵（GaAs）為代表的化合物半導(dǎo)體高頻器件及電路技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入了成熟期，已被大量應(yīng)用于高頻通信領(lǐng)域，尤其是移動(dòng)通信和光纖通信領(lǐng)域，到2009年其市場(chǎng)規(guī)模已經(jīng)達(dá)到了45億美元。隨著GaAsIC制造成本的大幅度下降，它們?cè)诠β史糯笃鳌⒌驮肼暦糯笃骱蜕漕l開(kāi)關(guān)電路在移動(dòng)通信RF前端占據(jù)了主要地位，手機(jī)與移動(dòng)基站的芯片是GaAsIC最大的市場(chǎng)，約占其市場(chǎng)份額的45%左右；隨著DWDM驅(qū)動(dòng)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(chǎng)份額大約為22%。工業(yè)、汽車、計(jì)算機(jī)和軍事市場(chǎng)占據(jù)了GaAsIC市場(chǎng)的34%，工業(yè)市場(chǎng)主要是高頻高速測(cè)試系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)和網(wǎng)絡(luò)速度已經(jīng)達(dá)到Gb/s，需要大量LAN和WAN。汽車應(yīng)用主要是防撞雷達(dá)的使用。而軍事應(yīng)用保持在4億美元／每年左右。目前，國(guó)際上生產(chǎn)民用GaAs器件及電路的代表性企業(yè)有美國(guó)的VITESSE、TRIQUINT、ANADIGICS、MOTONOLA、LUCENT、ALPHA、AGILENT、HP；日本的NTT、Oki、Fujisu；德國(guó)的西門(mén)子；臺(tái)灣的穩(wěn)懋、宏捷、全球聯(lián)合通訊以及尚達(dá)等。大量事實(shí)已證明：砷化鎵器件及電路是一項(xiàng)技術(shù)含量高、利潤(rùn)率高，市場(chǎng)前景和經(jīng)濟(jì)效益不可低估的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。正因?yàn)槟壳笆袌?chǎng)需求強(qiáng)勁，今后發(fā)展前景看好，近年來(lái)國(guó)際上許多公司紛紛上馬新的GaAs制造線。尤其是美、日、德等國(guó)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(chǎn)線，今年這些公司都將由4英寸轉(zhuǎn)入6英寸大規(guī)模生產(chǎn)。他們生產(chǎn)的主要產(chǎn)品是移動(dòng)通信射頻電路（如GaAs手機(jī)功率放大器和低噪聲放大器電路等）以及光纖通信發(fā)射和接收電路（如GaAs激光驅(qū)動(dòng)器、接收器、復(fù)用器及解復(fù)用器、時(shí)鐘恢復(fù)電路等）、微波功率晶體管及功率放大器等各種系列的產(chǎn)品。