第五章射频化合物半导体技术课件.ppt

1、射频射频III-V族化合物族化合物半导体技术半导体技术2003.10成都成都内内 容容 限限 定定化合物化合物：元素半导体：元素半导体（Ga,Te,Se,Ge,Si.)III-V族族：SiGe、SiC、II-VI族半导体族半导体射频（射频（RF）：光、热、敏感、低频：光、热、敏感、低频实用性成熟实用性成熟：低维结构（量子点、量子线、量：低维结构（量子点、量子线、量子谐振隧穿子谐振隧穿）ABCS（锑化物基半导体）（锑化物基半导体）内 容III-V化合物半导体特性的吸引力与发展历程化合物半导体特性的吸引力与发展历程微波应用对半导体特性潜力的挖掘微波应用对半导体特性潜力的挖掘器件设计：器件设计：“掺

2、杂工程掺杂工程”“能带工程能带工程”材料制造技术：基础材料材料制造技术：基础材料“功能材料功能材料”III-V宽禁带高温半导体技术宽禁带高温半导体技术III-V化合物微波单片集成电路技术化合物微波单片集成电路技术结论结论III-V化合物半导体的特性化合物半导体的特性优势与发展历程优势与发展历程_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V化合物半导体的主要吸引力化合物半导体的主要吸引力 材料的多元性（二元、三元及多元）：大大地提高材料的多元性（二元、三元及多元）：大大地提高器件设计的灵活性与性能优化的潜力器件设计的灵活性与性能优化的潜力 更高品质的载流子输

3、运特性：满足高频、高速器件更高品质的载流子输运特性：满足高频、高速器件的基本要求的基本要求 直接能隙半导体：光电子发射直接能隙半导体：光电子发射 高频、高速、微波、光电应用电路的一体化：对全高频、高速、微波、光电应用电路的一体化：对全功能性材料的追求功能性材料的追求单片化多功能集成电路技术单片化多功能集成电路技术 _NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V化合物半导体发展历程化合物半导体发展历程 化合物半导体的历史与元素半导体同样悠久化合物半导体的历史与元素半导体同样悠久 发展遇到的最大困难是材料生长的困难发展遇到的最大困难是材料生长的困难 化合物材料

4、技术的发展（晶片直径、外延技术）化合物材料技术的发展（晶片直径、外延技术）直接推动新原理器件的诞生与应用直接推动新原理器件的诞生与应用 中国的中国的III-V化合物半导体技术发展始于化合物半导体技术发展始于1960年代前期年代前期_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEGaAs、InP单晶体生长的难点单晶体生长的难点 合成与生长：熔点温度下高挥发（合成与生长：熔点温度下高挥发（As、P）高蒸汽压、纯化学配比高蒸汽压、纯化学配比 高温生长高温生长坩堝沾污坩堝沾污 高温高压高温高压不完整性：缺陷、位错不完整性：缺陷、位错GaAs（InP）单晶拉制工艺：）单晶拉制工

5、艺：LEC、VB、VGF机械强度机械强度晶片加工与器件制造工艺困难晶片加工与器件制造工艺困难_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V半导体材料技术的发展直接推动半导体材料技术的发展直接推动器件与应用的进程：例器件与应用的进程：例 外延技术（外延技术（MBE、MOCVD）的发展直接推动化合物新型器件）的发展直接推动化合物新型器件 的发展的发展：HBT 1948 Schokley 提出不同半导体材料形成异质结双极晶体管的原理提出不同半导体材料形成异质结双极晶体管的原理 1957 Kroemer 提出完整的提出完整的HBT设计理论设计理论 1977 Kon

6、nzai等制造出第一个真正的等制造出第一个真正的GaAs/AlGaAs HBTHEMT 1978 Dingle 用用MBE生长出能产生生长出能产生2DEG的异质结构的异质结构 1980 Mimura等制造出第一个等制造出第一个AlGaAs/GaAs HEMT 材料合成与单晶拉制的困难制约着化合物器件与集成技术的发材料合成与单晶拉制的困难制约着化合物器件与集成技术的发展展： 1967 GaAs MESFET（单晶拉制技术的完善：（单晶拉制技术的完善：1965 LEC） 1976 GaAs MMIC（1-2英吋直径单晶拉制及晶片加工：英吋直径单晶拉制及晶片加工：1970s初）初）_NANJING

7、ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V化合物半导体技术发展里程碑化合物半导体技术发展里程碑 晶体合成与单晶拉制晶体合成与单晶拉制： GaAs：1956；InP：1968 器件研究：器件研究：GaAs GUNN 1963 三极管：三极管：GaAs MESFET 1970 异质结三极管：异质结三极管：GaAs：HBT 1977；HEMT 1980；PHEMT 1985 InP：HEMT 1987 单片集成电路（单片集成电路（MMIC）：）：GaAs 1976；InP 1990 宽禁带半导体三极管器件：宽禁带半导体三极管器件：GaN HEMT 1993 宽禁带宽禁带MMI

8、C：GaN HEMT MMIC 2000_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE我国我国III-V化合物半导体技术的历程化合物半导体技术的历程 GaAs单晶拉制：单晶拉制：1961（1959） GaAs GUNN二极管研制：二极管研制：1964（1963） GaAs MESFET研制：研制：1975（1970） GaAs MESFET MMIC研制：研制：1980（1976） GaAs基基HEMT研制：研制：1984（1980） GaAs材料合成试验：材料合成试验：1959（1956） GaN HEMT研制：研制：1999（1993）RF与微波器件的工作机理推

9、动对与微波器件的工作机理推动对 III-V半导体特性的深入挖掘利用半导体特性的深入挖掘利用_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE射频应用对半导体特性、效应的射频应用对半导体特性、效应的深入挖掘深入挖掘 传统（二极管、三极管）器件特性的充分利用：传统（二极管、三极管）器件特性的充分利用： I-V特性特性的利用：线性、非线性、大动态范围的利用：线性、非线性、大动态范围结电容结电容特性的利用：线性、非线性特性的利用：线性、非线性沟道电导沟道电导调制效应的利用调制效应的利用 电子在高场下的漂移特性：电子在高场下的漂移特性：迁移率的非线性、迁移率的非线性、电子饱和速度

10、电子饱和速度 高能电子在强场下的特殊行为：高能电子在强场下的特殊行为： 碰撞引起载流子倍增与碰撞引起载流子倍增与雪崩倍增雪崩倍增 导带子能谷之间的电子导带子能谷之间的电子谷间转移谷间转移_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE微波半导体器件特性的非线性利用微波半导体器件特性的非线性利用 I-V特性的非线性区效应特性的非线性区效应：产生信号频率的谐波、分谐波成分产生信号频率的谐波、分谐波成分变频、倍频、分频变频、倍频、分频 Schottky 二极管、检波二极管、混频二极管、二极管、检波二极管、混频二极管、隧道隧道二极管二极管 结电容的压控特性结电容的压控特性：改

11、变谐振回路频率及改变谐振回路频率及Q值值宽带信号源宽带信号源变容二极管、阶跃变容二极管、阶跃二极管二极管 沟道电导的非线性调制沟道电导的非线性调制：用于用于RF信号的衰减、限幅信号的衰减、限幅PIN二极管、限幅二极管二极管、限幅二极管_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE电场下载流子行为：漂移与饱和电场下载流子行为：漂移与饱和 电子极限速度：饱和速度电子极限速度：饱和速度vs 微波器件性能：低场迁移率微波器件性能：低场迁移率 n与高场饱和速度与高场饱和速度vs的的综合效应综合效应 MESFET、HEMT、PHEMT、HFET、MHEMT、HBT高场高场下的电

12、子运动：微波三极管中的尺寸效应下的电子运动：微波三极管中的尺寸效应亚微米栅（亚微米栅（FET）、超薄基区（）、超薄基区（BT）_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V族化合物半导体的速场特性族化合物半导体的速场特性化合物半导体化合物半导体 导带双能谷：有效质量不同导带双能谷：有效质量不同“快快”态电子、态电子、“慢慢”态电子态电子 高电场下跃迁：高电场下跃迁： 快电子快电子 慢电子慢电子 负微分迁移率（电子）负微分迁移率（电子）高电场下电子进入远离导带底的高能态高电场下电子进入远离导带底的高能态传统的导带底部低能态近似不再适用传统的导带底部低能态近似

13、不再适用_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE化合物半导体器件内的高场效应：化合物半导体器件内的高场效应：雪崩与体效应（雪崩与体效应（GUNN效应）效应） 高能电子高速漂移运动引起的载流子高能电子高速漂移运动引起的载流子碰撞、雪崩碰撞、雪崩IMPATT（雪崩二极管）（雪崩二极管） 高能电子在化合物半导体（高能电子在化合物半导体（GaAs、InP）导带子能谷间）导带子能谷间转移转移“快快”电子电子“慢慢”电子引起半导体内的电子引起半导体内的偶极子疇偶极子疇： 正效应：正效应：GUNN效应与器件效应与器件 副效应：干扰某些器件正常工作状态副效应：干扰某些器件正常

14、工作状态GUNN二极管（体效应二极管）二极管（体效应二极管）充分挖掘半导体内载流子的各种特性：众多的微波器充分挖掘半导体内载流子的各种特性：众多的微波器件家族件家族半导体异质结构的实现开创了半导体异质结构的实现开创了“能带工程能带工程”器件设计原理时代器件设计原理时代_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEFETs ：化合物：化合物 vs Si GaAs 类类FET特点：特点：缺乏类缺乏类SiO2稳定稳定氧化物氧化物 空穴迁移率远低于电子空穴迁移率远低于电子SiSiIII-VIII-V化合物化合物结结P/NSchottky barrierP/N载流子载流子电子

15、，空穴电子，空穴电子电子器件结构器件结构MOSMES，MIS器件内部电场器件内部电场较弱较弱较强较强互补电路互补电路CMOSE/D器件需采用不同工作原理器件需采用不同工作原理GaAs（InP）基金属半导体场效应晶体管（）基金属半导体场效应晶体管（MESFETs）_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE化合物器件：从化合物器件：从MOSFET到到MESFET 化合物半导体缺乏具有良好加工性能的氧化物钝化层化合物半导体缺乏具有良好加工性能的氧化物钝化层 必须采用必须采用非非MOSFET型器件型器件 MOS结构结构 MES结构（金属半导体接触势垒）结构（金属半导体接

16、触势垒）化合物半导体（化合物半导体（GaAs、InP）较大的）较大的Eg 优异的优异的Schottky势垒特性势垒特性 类类MOSFET的的MESFET：栅下栅下MOS电容电位控制电容电位控制 栅下沟道厚度的耗尽控制栅下沟道厚度的耗尽控制_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE异质结器件的崛起：化合物半导体同质异质结器件的崛起：化合物半导体同质结结FET及及BJT原理的突破原理的突破 同质材料结构同质材料结构 异质材料结构：异质材料结构：器件原理与特性的飞跃器件原理与特性的飞跃 异质结构器件设计优化：异质结构器件设计优化：传统的扩散、注入、合金、氧化：传统的扩

17、散、注入、合金、氧化：掺杂工程掺杂工程异质层结构的设计优化及外延：异质层结构的设计优化及外延：能带工程能带工程_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE实例实例1：高电子迁移率晶体管（：高电子迁移率晶体管（HEMT）双平面掺杂双平面掺杂PHEMT层结构示意层结构示意2DEG层层膺配膺配HEMT剖面示意剖面示意_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEHEMT工作原理工作原理n-AlGaAs i-GaAs_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEHEMT的原理特点的原理特点 AlGaAs/GaAs异质

18、结的导带不连续性：异质结的导带不连续性：GaAs一侧一侧形成量子势阱，掺杂层内电子转移到阱内形成高形成量子势阱，掺杂层内电子转移到阱内形成高面密度的二维电子气（面密度的二维电子气（2DEG） 掺杂层与掺杂层与2DEG层的空间分离，降低杂质离子的层的空间分离，降低杂质离子的库仑散射：提高库仑散射：提高2DEG的迁移率的迁移率解决了：解决了：器件工作区内增加载流子浓度与提高器件工作区内增加载流子浓度与提高载流子迁移率的矛盾载流子迁移率的矛盾体现微波频率下工作体现微波频率下工作HEMT的优异特性的优异特性_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE实例实例2：HBT n

19、pn-HBT剖面示意剖面示意npn-HBT层结构示意层结构示意_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEHBT的原理特点的原理特点异质异质EB发射结：宽能隙发射区、窄能隙基区发射结：宽能隙发射区、窄能隙基区_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEHBT的原理特点的原理特点 异质异质EB结的能带结的能带差差Eg增加了改变发射结注入比的手段：增加了改变发射结注入比的手段： max=(Ne/Pb)(vnb/vpe)exp( Eg/kt) 在保持高在保持高发射结注入效率的前提下发射结注入效率的前提下通过发射区、集电区低通过发射区、集电区

20、低掺杂、基区高掺杂实现降低掺杂、基区高掺杂实现降低Rb、Ce、Cc：提高：提高HBT的工作的工作频率频率fmax解决：解决：双极晶体管提高频率与增加增益间矛盾双极晶体管提高频率与增加增益间矛盾体现微波频率下工作体现微波频率下工作HBT的优异特性的优异特性_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE异质结构效应对化合物半导体器件的影响：异质结构效应对化合物半导体器件的影响：MESFET类异质器件类异质器件 采用采用异质异质Spike掺杂掺杂改进改进MESFET沟道杂质分布以提高器沟道杂质分布以提高器件功率输出时的效率与线性度件功率输出时的效率与线性度 采用采用大能隙

21、异质势垒层（大能隙异质势垒层（AlGaAs）提高提高MESFET的的Schottky势垒特性以改进器件频率与增益势垒特性以改进器件频率与增益 采用电子输运特性更优异的采用电子输运特性更优异的异质沟道层材料（异质沟道层材料（InGaAs）以全面提高以全面提高MESFET及及HEMT的高频特性（频率、增益、的高频特性（频率、增益、功率、效率）功率、效率）采用采用复合异质沟道层复合异质沟道层（如（如GaAs/InGaAs）或）或多层脉冲掺杂多层脉冲掺杂沟道层沟道层通过同时提高载流子的输运特性及沟道载流子浓通过同时提高载流子的输运特性及沟道载流子浓度以改善器件的频率与功率输出特性度以改善器件的频率与功

22、率输出特性_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE异质结构效应对化合物半导体器件的影响：异质结构效应对化合物半导体器件的影响：HBT类异质器件类异质器件采用采用窄能隙（窄能隙（GaAs、InGaAs）基区）基区利用异质发射结效利用异质发射结效应全面改进应全面改进BJT的高频特性（的高频特性（ 、fT、 fmax）采用采用双异质结双异质结（EB发射结、发射结、 CB集电结）进一步改善集集电结）进一步改善集电结输运特性电结输运特性利用异质结构的利用异质结构的选择腐蚀性选择腐蚀性（自停止腐蚀性，如（自停止腐蚀性，如InGaP与与GaAs）实现）实现HBT工艺中结平面

23、的精确定位（工艺中结平面的精确定位（10-1 nm精度）精度）利用利用高钝化特性的异质生长层高钝化特性的异质生长层（如（如InGaP）实现）实现HBT发发射结的低界面态表面钝化保护射结的低界面态表面钝化保护_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE化合物异质器件设计：能带工程化合物异质器件设计：能带工程 异质半导体器件的设计：异质半导体器件的设计：能带工程能带工程Schroedinger方程方程+ Poisson方程方程 异质界面间的电子转移异质界面间的电子转移波函数、子能级、态密度：波函数、子能级、态密度：2DEG面密度面密度 异质半导体器件的设计参数异质半导

24、体器件的设计参数层结构、厚度、掺杂浓度层结构、厚度、掺杂浓度 异质半导体器件设计的实现异质半导体器件设计的实现密切结合异质材料生长工艺：密切结合异质材料生长工艺：功能材料功能材料 同质半导体器件的设计：同质半导体器件的设计：掺杂工程掺杂工程Poisson方程方程化合物半导体材料技术进展化合物半导体材料技术进展实现功能结构材料的完美生实现功能结构材料的完美生长长_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE异质结器件用功能材料的能力异质结器件用功能材料的能力 “能带工程能带工程”设计的异质结构器件：设计的异质结构器件： 异质层厚度异质层厚度nm级及以下级及以下 异质界

25、面异质界面单原子层完美过渡单原子层完美过渡 相邻异质层的相邻异质层的掺杂浓度差掺杂浓度差超过超过5个数量级个数量级 外延生长技术的巨大突破外延生长技术的巨大突破“功能材料功能材料”： 分子束外延（分子束外延（MBE） 金属有机源化学汽相外延（金属有机源化学汽相外延（MOCVD、MOVPE）二元二元多元多元 使用功能材料大大简化异质结构器件的加工复杂性：使用功能材料大大简化异质结构器件的加工复杂性： 保证了异质结器件设计的可实现性保证了异质结器件设计的可实现性 器件纵向尺寸（器件纵向尺寸（10 -3 m精度）精度）III-V族化合物半导体的禁带宽度族化合物半导体的禁带宽度Eg与晶格常数与晶格常数

26、a关系图关系图_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE分子束外延（分子束外延（MBE）MBE生长原理及设备生长原理及设备_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE有机金属源化学汽相淀积（有机金属源化学汽相淀积（MOCVD）MOCVD系统工作原理系统工作原理_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE采用改性层（采用改性层（Metamorphic）技术实现基本）技术实现基本半导体材料间的异质生长半导体材料间的异质生长 目的：目的： 克服原有衬底材料特性的缺点克服原有衬底材料特性的缺点 避免使用昂贵衬底

27、材料：降低成本避免使用昂贵衬底材料：降低成本 根据器件与根据器件与IC设计要求实现衬底及外延层的综合利用设计要求实现衬底及外延层的综合利用 实现不匹配晶体之间的单晶层外延实现不匹配晶体之间的单晶层外延 发展中技术：发展中技术： Si衬底上外延衬底上外延GaAs、 GaN 、 SiC GaAs衬底上外延衬底上外延InP 蓝宝石衬底上外延蓝宝石衬底上外延GaN、SiC III-V高温半导体技术高温半导体技术_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V高温半导体技术发展的动力高温半导体技术发展的动力 对于固态大功率发射源的持续而又急迫需求对于固态大功率发射源的

28、持续而又急迫需求固态源优势固态源优势：小体积、长寿命、高可靠、轻重量：小体积、长寿命、高可靠、轻重量（满足（满足军事武器系统及民用微波发射设备军事武器系统及民用微波发射设备的特殊要求）的特殊要求）固态源缺点固态源缺点：功率小、效率低：功率小、效率低 原因：载流子输运特性、器件能承载的输入功率电平（电原因：载流子输运特性、器件能承载的输入功率电平（电流、电压）、散热特性流、电压）、散热特性 降低制造成本的要求降低制造成本的要求_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V宽禁带半导体的主要优点宽禁带半导体的主要优点 强场下高电子漂移速度：高频、大电流强场下高

29、电子漂移速度：高频、大电流 大禁带宽度：高温下保持器件的正常工作大禁带宽度：高温下保持器件的正常工作 高热导率：大功率下保持较低的结温高热导率：大功率下保持较低的结温 高击穿电场强度：提高器件外加电压来提高输出高击穿电场强度：提高器件外加电压来提高输出功率功率_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE主要主要III-V半导体基本特性比较半导体基本特性比较SiGaAsGaN4H-SiC禁带宽度（禁带宽度（eV）1.111.433.43.2相对介电常数相对介电常数11.812.89.09.7击穿电场（击穿电场（V/cm）6E56.5E535E535E5电子饱和速度（

30、电子饱和速度（cm/s）1E71.2E71.5E72E7迁移率（迁移率（cm2/Vs）135060001000800热导率（热导率（W/cmK）1.50.461.74.9_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEGaN高温半导体技术高温半导体技术 共同特点共同特点宽禁带半导体材料：高温工作（宽禁带半导体材料：高温工作（ 400 C）、高热导（减小重量、尺寸）、高热导（减小重量、尺寸） GaN 器件特点：异质结构器件特点：异质结构提高电子输运特性提高电子输运特性 进展：固态微波大功率源：进展：固态微波大功率源：军事电子系统功率发射、军事电子系统功率发射、 民用基站

31、功放模块民用基站功放模块 GaN X波段：单管波段：单管 10 （CW） 脉冲脉冲 7 W/mm，PAE 62% 军用现代相控军用现代相控 阵雷达阵雷达 1.8-2.2 GHz：22 W（CW），），17 Db 移动通信基站用移动通信基站用 2 GHz：108 W CW 移动通信基站用移动通信基站用_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE基站用基站用GaN HEMT功放模块功放模块美国美国Cree Microwave频段：频段：2 GHz输出功率：输出功率：22 W（CW）增益：增益：17 dB频带：频带：400 MHz 2个个GaN 功率管功率管化合物半导体

32、射频（微波）集成技化合物半导体射频（微波）集成技术：微波单片集成电路（术：微波单片集成电路（MMIC）_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEIII-V族化合物半导体适于族化合物半导体适于MMIC应用的性能因素应用的性能因素 GaAs类化合物半导体中载流子更优异的类化合物半导体中载流子更优异的输运特性输运特性：器件：器件及及IC的工作频率可进入微波毫米波频段的工作频率可进入微波毫米波频段 GaAs类化合物半导体体材料的类化合物半导体体材料的半绝缘特性半绝缘特性：可作为较理：可作为较理想的微波电路基板材料想的微波电路基板材料 GaAs类化合物半导体材料的优良的类

33、化合物半导体材料的优良的IC加工性能加工性能：可以解：可以解决微波频段决微波频段IC（MMIC）的制造难题）的制造难题_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEGaAs与与Si基本特性的比较基本特性的比较特性特性GaAsSi半绝缘性半绝缘性是是否否衬底电阻（衬底电阻（Ohm-cm）10E7-10E910E2-10E3介电常数介电常数12.911.7电子迁移率（电子迁移率（cm2/Vs）6000-8000700饱和电子速度（饱和电子速度（cm/s）1.310E7910E6器件最高工作温度（器件最高工作温度（ C）250 200抗辐照能力抗辐照能力优异优异差差热导率

34、（热导率（W/cm C）0.461.45_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTESi IC的演变：的演变：MMIC的特殊性的特殊性 微波电路的多样性导致使用的器件种类名目繁多微波电路的多样性导致使用的器件种类名目繁多寻求与寻求与Si-MOS相似的相似的“统一统一”器件：器件： （利用利用GaAs类类MESFETs在微波电路应用时的多功能性：解决在微波电路应用时的多功能性：解决 MMIC中微波器件的结构平面化与设计简化问题）中微波器件的结构平面化与设计简化问题） 应用频率（应用频率（RF及微波频段）提高：及微波频段）提高：“路路”（集中元件）（集中元件）“场场”

35、（电磁场）（电磁场） 设计复杂化：电磁场、设计复杂化：电磁场、寄生效应寄生效应寄生效应寄生效应元件的紧邻效应元件的紧邻效应 电路基板电路基板“非理想性非理想性”MMIC：功能电路：功能电路微波频率模拟微波频率模拟IC_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEMESFETs MESFET的大动态范围的工作特性的大动态范围的工作特性 微波电路中微波电路中的的“多面手多面手” 替代替代各种微波二极管各种微波二极管 微波电路可用单一种类微波电路可用单一种类MESFET组成组成 大大大大简化简化MMIC的设计与制造复杂性的设计与制造复杂性 MESFET的准平面结构的准平面

36、结构 + 与与 微波无源元件制造工艺微波无源元件制造工艺的相容性的相容性 最终最终解决解决MMIC的可制造性的可制造性_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEMMIC中使用的中使用的FETs的特殊性的特殊性Si ICs：MOSFET的的“导通导通”与与“截止截止”化合物化合物MMICs：MESFET特性的不同区域特性的不同区域电路电路CAD设计用器件模型：十分复杂设计用器件模型：十分复杂大动态范围大动态范围线性与非线性工作区线性与非线性工作区微波频率下的延迟效应微波频率下的延迟效应微波频率下的寄生效应微波频率下的寄生效应_NANJING ELECTRONIC

37、DEVICES INSTITUTE异质结新原理器件大幅度改进异质结新原理器件大幅度改进MMIC性能性能“三高三高”：高载流子输运特性、高器件设计灵活性、：高载流子输运特性、高器件设计灵活性、高工作结温高工作结温 异质结构异质结构FETs：HEMT、PHEMT、MHEMT 异质结双极型器件异质结双极型器件HBTs：单异质结：单异质结HBT、双异、双异质结质结HBT（DHBT） 宽禁带化合物半导体（宽禁带化合物半导体（GaN）的异质结器件）的异质结器件_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE化合物微波异质结半导体器件的优势化合物微波异质结半导体器件的优势 异质结器

38、件大大提高器件的工作频率：异质结器件大大提高器件的工作频率：GaAs PHEMTs：40-60 GHzInP HEMTs：100 GHz以上以上通信、军事应用通信、军事应用 异质结器件大大提高器件的运算速度：异质结器件大大提高器件的运算速度：InP HBTs：100 Gb/s以上数据传输速率以上数据传输速率下一代光通信下一代光通信 异质结器件大大提高器件的工作温度：异质结器件大大提高器件的工作温度：GaN HEMTs：稳定工作于：稳定工作于350C以上以上军事军事电子系统电子系统、移动通信移动通信基站基站_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEMMIC的应用技

39、术发展的应用技术发展兼容兼容IC技术技术 微波（模拟）微波（模拟）超高速（数字）兼容超高速（数字）兼容IC技术技术 微波（模拟）微波（模拟）光电（模拟光电（模拟/数字）兼容数字）兼容IC技术技术 微波微波MEMS兼容兼容IC技术技术 微波微波光电光电MEMS兼容兼容IC技术技术 微波半导体微波半导体非半导体（超导、磁性非半导体（超导、磁性）兼容）兼容IC技术技术_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTEMMIC工艺技术发展工艺技术发展3D-MMIC需求：需求： 最大限度地进一步减小射频（最大限度地进一步减小射频（T/R）模块的体积、重量与成本模块的体积、重量与成

40、本 实现有源器件与无源元件的多层化分布实现有源器件与无源元件的多层化分布缩减尺寸缩减尺寸 消除消除RF寄生效应的措施最佳化寄生效应的措施最佳化改进性能改进性能 实现立体化电磁场结构（腔体、实现立体化电磁场结构（腔体、RF输入输入/出）出）简化模块工艺，减小重量，降低成本简化模块工艺，减小重量，降低成本技术：技术：多层介质与集成电路工艺多层介质与集成电路工艺技术难度最大（设计、工艺），但预期技术难度最大（设计、工艺），但预期效果最好。效果最好。3D-MMIC典型工艺示意典型工艺示意_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE结结 语语 III-V化合物半导体技术与传

41、统的化合物半导体技术与传统的Si技术始终处于技术始终处于并并行发展行发展的状态并相互推动。微波半导体器件在发展的状态并相互推动。微波半导体器件在发展过程中对半导体特性的多方面深入发掘与利用促成过程中对半导体特性的多方面深入发掘与利用促成了射频了射频III-V化合物器件工作的不断突破化合物器件工作的不断突破 III-V化合物半导体技术的发展使半导体的利用由化合物半导体技术的发展使半导体的利用由“同质材料及同质结构同质材料及同质结构”进入进入“异质材料与异质结异质材料与异质结构构”阶段阶段 III-V化合物半导体技术的发展使器件原理由化合物半导体技术的发展使器件原理由“掺杂掺杂工程工程”设计进入设计进入“能带工程能带工程”设计阶段设计阶段_NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE结结 语语 III-V化合物半导体技术的发展使半导体材料技术由化合物半导体技术的发展使半导体材料技术由“体材料体材料”进入进入“功能材料功能材料”阶段阶段 III-V化合物半导体技术的发展正在进入对化合物半导体技术的发展正在进入对新材料新材料（高温半导体、多元半导体）及新原理（高温半导体、多元半导体）及新原理IC（包括使（包括使用非半导体复合基片材料）的全面开发利用阶段用非半导体复合基片材料）的全面开发利用阶段