GaAs化合物半导体及高速集成电路

化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

化合物半导体高速集成电路

前言

1.课程研究内容

? 介绍以GaAs为代表的化合物半导体材料与器件的基础知识和发展动态。

? 阐述典型的化合物半导体器件工作原理、制作工艺和基本特性及其在超高速微电子

学中的应用。

? 介绍微波单片集成电路的基本理论、制作工艺和设计方法。 2、课程目的

? 掌握化合物半导体材料与器件的基本知识与基本概念

? 掌握典型化合物半导体器件的制作工艺、基本原理和基本特性 ? 了解GaAs场效应管在混合微波集成电路中的应用 ? 掌握微波单片集成电路的设计和制作方法 3、成绩评定

平时成绩30%，期末考试成绩70%，采取闭卷考试，试题主要包括填空、名词解释、简答和计算题。 4、参考文献

《砷化镓微波场效应管及其集成电路》 李效白 主编 科学出版社 《高速GaAs集成电路》史常忻 等著 上海交通大学出版社 《超高速化合物半导体器件》 谢永贵 主编 宇航出版社

第1章 绪论

1.1化合物半导体材料及其器件概述 1.2 GaAs集成电路的发展和现状

1.1化合物半导体材料及其器件概述 1.1.1 化合物半导体材料的研究背景

硅作为第一代半导体材料被广泛应用到通讯设备中，但是硅电路传输信息的速度慢、杂讯多。传输信息速度的关键在于电子移动速率快慢，这是材料的基本电学特性之一，很难加以改良。为了改善硅电路遇到的问题，新材料的研发成为必然趋势。

化合物半导体是由两种或多种元素组成的混晶结构半导体。目前应用最广、发展最快的化合物半导体材料是Ⅲ-Ⅴ族化合物。

元素周期表中，Ⅳ族列中有著名的半导体Si， Ⅳ 族的左右周期性地排列着Ⅲ族和Ⅴ族元素的镓（Ga）、铝（Al）、砷（As）、氮（N）、铟（In）、磷（P）等，这些元素的组合形成了化合物半导体的主体。这种组合可

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

以是两种元素也可以是多种元素。

常用的化合物半导体有GaAs、InP、 GaN、AlχGa1-χAs、InχGa1-χAs、GaχIn1-χP、 （AlχGa1-χ）yIn1-yP等。

1.1.2 化合物半导体材料特性

表1-1 典型化合物半导体GaAs材料与Si材料性能对比 参量 GaAs Si

8000cm2/V.s 1350cm2/V.s 电子迁移率

2×107 cm2/V.s 1×107 cm2/V.s 最大电子漂移速度

能带形式 直接 间接

109Ω 105Ω 最大电阻率

0.7-0.8V 0.4-0.6V 肖特基势垒高度

1.43eV 1.12eV 禁带宽度(300K)

化合物半导体集成电路的主要特征是超高速、低功耗、多功能、抗辐射。具体表现在以下几个方面：

（1）化合物半导体材料具有很高的电子迁移率和电子漂移速度。室温时，GaAs的电子迁移率大约比Si的电子迁移率高5倍，最大电子漂移速度约为Si的两倍。因此，GaAs器件可以做到更高的工作频率和更快的工作速度。

（2）GaAs材料的肖特基势垒特性比Si优越。势垒高度达0.7～0.8eV，高于硅。因此，容易实现良好的栅控特性的MES结构。

（3）GaAs的本征电阻率可达109，比硅高四个数量级，为半绝缘衬底。电路工艺中便于实现自隔离，工艺简化，适合于微波电路和毫米波集成电路。

（4）禁带宽度大，可以在Si器件难以工作的高温领域工作。GaAs禁带宽度为1.43eV，InP为1.27eV，都比硅（1.12eV）大。因此，器件工作温度很高。

（5）GaAs为直接带隙半导体，可以发光。也就是说它可以实现光电集成，即把微电子光电子结合起来，实现单块光电IC的多功能化、复合化，可以应用于将来的光电计算机。 （6）抗辐射能力强。在GaAs中，空穴的迁移率比电子的迁移率低一个数量级以上，如果以电子为多数载流子，可以制成载流子浓度为1017/cm3的场效应管（Field Effect Transistor，FET）。

目前，高性能化合物半导体材料制备设备主要为：分子束外延设备（MBE）和金属有机物化学气相沉积设备（MOCVD）。

图1-1 分子束外延设备（MBE） 图1-2 金属有机化学气相沉积设备（MOCVD）

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

化合物半导体材料应用范围

军事

智能化武器 航天航空 军事通信 雷达

商用民用

手机 光纤通信 图象处理 照明 大型工作站 高速信号处理

直播通信卫星

手机是促进GaAs IC市场增长的主要动力

GaAs IC 是手机中重要关键零部件功率放大器（Power Amplifier，PA）主流制程技术。 2004年GaAs芯片市场29亿美元，2008年将达37亿美元

随着手机需求成长，以及每支手机所需PA从单频增为双频和三频，预计单手机这项需求，2008年GaAs芯片将达到30亿颗 相关数据的解释：

2004年：手机出货量：7.1亿部 每部手机用PA：2.4个 采用GaAs材料：70% 每个PA售价：1美元 GaAs市场总额：7.1×2.4×70%×1/41%＝29亿美元 2008年：手机出货量：11亿部 每部手机用PA：2.7个 采用GaAs制程：60% 每个PA手机：0.7美元 GaAs市场总额：11×2.7×60%×0.7/33%＝38亿美元

图1-3 2004年手机功率放大器份额 图1-4全球手机出货量及增长率图（单位：百万台）

其他典型化合物半导体材料应用： 高速信号处理 信号显示

半导体照明、通信 太阳能利用等。

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

图1-5 大功率GaN LED 图1-6 天津工大半导体照明工程

图1-7 GaN、InP化合物半导体发光材料在奥运工程中的应用

图 1-8 化合物半导体集成芯片用于卫星通信，卫星能源供给

1.1.3典型化合物半导体器件 （1）金属半导体场效应管（MESFET）

GaAs集成电路与Si集成电路特点 超高速、低功耗、多功能、抗辐射

图1-9 常规MESFET结构示意图

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化合物半导体高速集成电路 第一章 绪论

图1-10 OKI开发的高效率的功率GaAs MESFET

（2）高电子迁移率晶体管（HEMT）

特点：跨导大、截止频率高、噪声低、开关速度快。 主要应用于低噪声振荡器、功率放大器。

图1-11 HEMT结构示意图

（3）异质结双极型晶体管（HBT）

特点：功率密度高，相位低，线性度好. 主要应用于低噪声振荡器、高功率放大器。

图1-12 HBT结构示意图

（4）谐振隧道二极管（RTD）

（5）异质结场效应晶体管（HFET） （6）结型场效应管（JFET）

（7）金属绝缘体半导体场效应管（MISFET）

1.2 GaAs集成电路的发展和现状

集成电路规模分类

集成度：每块集成电路芯片中包含的元器件数目 小规模集成电路(Small Scale IC，SSI) 中规模集成电路(Medium Scale IC，MSI) 大规模集成电路(Large Scale IC，LSI)

超大规模集成电路(Very Large Scale IC，VLSI) 特大规模集成电路(Ultra Large Scale IC，ULSI) 巨大规模集成电路(Gigantic Scale IC，GSI）

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