主流射频半导体材料及特性介绍

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、高线性度的微波放大器，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

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。