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(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強等優(yōu)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(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。

化合物半導(dǎo)體材料和器件經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，特別是近二十年的突飛猛進，通過發(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，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于信息社會的各個領(lǐng)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(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)域未來發(fā)展趨勢呈現(xiàn)四個主要方向：1）充分挖掘材料的優(yōu)勢，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。

針對上述化合物半導(dǎo)體材料和器件的發(fā)展趨勢，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，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)鍵問題：1）化合物半導(dǎo)體材料原子級調(diào)控與生長動力學(xué)研究，它是實現(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，這是未來化合物半導(dǎo)體跨越式發(fā)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(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、熱傳輸機理與耦合機制，是實現(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

二十一世紀是通信和網(wǎng)絡(luò)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(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，提高單個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。目前國際上40Gb/s、100Gb/s、160Gb/s的TDM傳輸系統(tǒng)已經(jīng)在實驗室研制成功，預(yù)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(fā)，手機芯片已開始向更多頻帶、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)星通信也已進入C波段（4-8GHz）和Ku波段（12.4-18GHz）；在物聯(lián)網(wǎng)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(fā)模塊；毫米波（30-300GHz）通信、雷達與成像在軍事領(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(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時鐘速率大于>30GHz）發(fā)展，對InP基HEMT和HBT技術(shù)提出了迫切需求。InP器件截至頻率達到766GHz，UCSB開發(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(shù)已經(jīng)成為高頻、高速、混合信號技術(shù)的主流趨勢。

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(dǎo)體的工作電壓達到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，并正在開發(fā)硅等低成本襯底的GaN，應(yīng)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(fā)出10kV110A（兆瓦級）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，在美國寬禁帶半導(dǎo)體目前已出現(xiàn)代工線，可以面向美國國內(nèi)開放服務(wù)。寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)已成為未來大功率技術(shù)的必然發(fā)展趨勢，將在雷達探測、通訊、電子對抗、動力系統(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GaAs、InP、GaN、SiC、其他材料的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進行闡述。

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，國際上的化合物半導(dǎo)體材料與器件的研究已經(jīng)成為一大持續(xù)升溫的熱點領(lǐng)域。化合物半導(dǎo)體高頻器件與電路是實現(xiàn)高速光纖通信系統(tǒng)、高頻移動通信系統(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)勢會更加突出，將會形成巨大的市場需求與經(jīng)濟效益。更為重要的是，隨著微電子技術(shù)發(fā)展到22納米節(jié)點后，硅基集成電路正面臨來自物理與技術(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，學(xué)術(shù)界普遍認為，化合物半導(dǎo)體將在微電子領(lǐng)域引發(fā)一場意義深遠的技術(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，尤其是移動通信和光纖通信領(lǐng)域，到2009年其市場規(guī)模已經(jīng)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(guān)電路在移動通信RF前端占據(jù)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(qū)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(yè)、汽車、計算機和軍事市場占據(jù)了GaAsIC市場的34%，工業(yè)市場主要是高頻高速測試系統(tǒng)，計算機和網(wǎng)絡(luò)速度已經(jīng)達到Gb/s，需要大量LAN和WAN。汽車應(yīng)用主要是防撞雷達的使用。而軍事應(yīng)用保持在4億美元／每年左右。目前，國際上生產(chǎn)民用GaAs器件及電路的代表性企業(yè)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(wěn)懋、宏捷、全球聯(lián)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(shù)含量高、利潤率高，市場前景和經(jīng)濟效益不可低估的高技術(shù)產(chǎn)業(yè)。正因為目前市場需求強勁，今后發(fā)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(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(fā)射和接收電路（如GaAs激光驅(qū)動器、接收器、復(fù)用器及解復(fù)用器、時鐘恢復(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。