一、引言

化合物半導體具有飽和速度高、能帶易剪裁、帶隙寬等特性，在超高頻、大功率、高效率等方面表現出優越的性能，因此，化合物半導體電子器件已經成為發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體技術日趨成熟，已廣泛地應用于無線通信、光電通信等領域，成為目前高端信息通信領域的主流；繼硅（Si）之后，GaAs、磷化銦（InP）和第三代半導體（寬禁帶半導體）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體，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場強等優點，器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上，成為大功率固態微波器件發展的最佳選擇。SiC電力電子器件由于頻率高、開關損耗小、效率高等優良特性，成為綠色能源發展的必然趨勢。

化合物半導體材料和器件經過半個世紀的發展，特別是近二十年的突飛猛進，通過發揮化合物半導體材料的優良特性，在高頻、大功率、高效率等方面與硅基集成電路形成互補，已經廣泛地應用于信息社會的各個領域，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、電路集成等技術不斷發展，以及新結構、新原理等不斷突破，化合物半導體領域未來發展趨勢呈現四個主要方向：1）充分挖掘材料的優勢，引領信息器件頻率、功率、效率的發展方向；2）高遷移率化合物半導體材料：延展摩爾定律的新動力(310328,基金吧)；3）與硅基材料和技術融合，支撐信息科學技術創新突破；4）SiC電力電子器件異軍突起，引領綠色微電子發展。

針對上述化合物半導體材料和器件的發展趨勢，如何充分發揮化合物半導體器件在超高頻、大功率、高效率等方面的優勢，解決信息大容量傳輸和高速處理、獲取的難題，依然存在如下關鍵問題：1）化合物半導體材料原子級調控與生長動力學研究，它是實現低缺陷、高性能化合物材料的關鍵。2）大尺寸、大失配硅基化合物半導體材料生長，這是未來化合物半導體跨越式發展的核心。3）超高頻、超強場、納米尺度下載流子輸運機理與行為規律，是探索新原理、高性能化合物器件的基礎。4）化合物半導體器件與集成技術中電、磁、熱傳輸機理與耦合機制，是實現化合物半導體器件研究到電路應用的紐帶。

二、化合物半導體領域發展現狀

（一）化合物半導體領域研究背景

二十一世紀是通信和網絡的時代。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，這對通信系統中的核心器件及關鍵電路的性能（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的密集波分復用技術，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傳輸系統已經在實驗室研制成功，預計在未來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，手機芯片已開始向更多頻帶、更大帶寬、更高集成度方向發展；衛星通信的頻率則更高，民用衛星通信也已進入C波段（4-8GHz）和Ku波段（12.4-18GHz）；在物聯網的無線互連方面，要求功率附加效率高、信道噪聲低的無線收發模塊；毫米波（30-300GHz）通信、雷達與成像在軍事領域中的研究和應用也很活躍。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世紀信息產業的發展方向。

（二）化合物半導體領域發展現狀

隨著新材料技術的發展，化合物半導體由于其優異的物、化以及電學特性，異軍突起，基于GaAs、InP、GaN、SiC等半導體材料的核心芯片以其高性能、多功能、集成化的優勢在各類信息系統中發揮著關鍵作用。

以GaAs為代表的第二代半導體技術日趨成熟，已廣泛地應用于無線通信、光電通信等領域，成為目前高端信息通信領域的主流。但是在星用高可靠技術、以及基于E/D工藝的多功能集成技術等方面尚有許多應用有待拓展。而InP技術隨著應用領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）發展，對InP基HEMT和HBT技術提出了迫切需求。InP器件截至頻率達到766GHz，UCSB開發出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技術已經成為高頻、高速、混合信號技術的主流趨勢。

而新興的以GaN、SiC為代表的第三代半導體（寬禁帶半導體）技術近年來突飛猛進。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；而寬禁帶半導體的工作電壓達到30～100V甚至更高，可有效提高系統效率。而SiC襯底擁有極好的熱傳導性，可以在200℃以上的高溫環境下工作。目前，SiC單晶襯底尺寸由3英寸向4英寸發展，并正在開發硅等低成本襯底的GaN，應用于移動通訊；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出10kV110A（兆瓦級）模塊，SiCMOSFET、IGBT等新結構器件不斷涌現，在直流輸變電、電驅動等新型系統中有迫切需求。隨著材料和工藝的穩定，在美國寬禁帶半導體目前已出現代工線，可以面向美國國內開放服務。寬禁帶半導體技術已成為未來大功率技術的必然發展趨勢，將在雷達探測、通訊、電子對抗、動力系統等各類信息系統中發揮革命性作用。下面，將從材料類型不同角度對GaAs、InP、GaN、SiC、其他材料的國內外發展現狀進行闡述。

1.GaAs材料和器件發展現狀

以GaAs為代表的化合物半導體器件在高頻、高速、高帶寬以及微波毫米波集成電路中具有明顯的優勢，國際上的化合物半導體材料與器件的研究已經成為一大持續升溫的熱點領域。化合物半導體高頻器件與電路是實現高速光纖通信系統、高頻移動通信系統必不可少的關鍵部件。并且在新興的汽車防撞系統、衛星定位系統以及軍用微波/毫米波雷達系統等領域具有廣闊的應用前景。隨著今后通信系統頻率的不斷提高，它的優勢會更加突出，將會形成巨大的市場需求與經濟效益。更為重要的是，隨著微電子技術發展到22納米節點后，硅基集成電路正面臨來自物理與技術的雙重挑戰，采用高遷移率化合物半導體來替代硅材料延展摩爾定律已經成為近期微電子前沿領域的研究熱點，學術界普遍認為，化合物半導體將在微電子領域引發一場意義深遠的技術革命。

目前，以砷化鎵（GaAs）為代表的化合物半導體高頻器件及電路技術已經進入了成熟期，已被大量應用于高頻通信領域，尤其是移動通信和光纖通信領域，到2009年其市場規模已經達到了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電路在移動通信RF前端占據了主要地位，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、汽車、計算機和軍事市場占據了GaAsIC市場的34%，工業市場主要是高頻高速測試系統，計算機和網絡速度已經達到Gb/s，需要大量LAN和WAN。汽車應用主要是防撞雷達的使用。而軍事應用保持在4億美元／每年左右。目前，國際上生產民用GaAs器件及電路的代表性企業有美國的VITESSE、TRIQUINT、ANADIGICS、MOTONOLA、LUCENT、ALPHA、AGILENT、HP；日本的NTT、Oki、Fujisu；德國的西門子；臺灣的穩懋、宏捷、全球聯合通訊以及尚達等。大量事實已證明：砷化鎵器件及電路是一項技術含量高、利潤率高，市場前景和經濟效益不可低估的高技術產業。正因為目前市場需求強勁，今后發展前景看好，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生產線，今年這些公司都將由4英寸轉入6英寸大規模生產。他們生產的主要產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）以及光纖通信發射和接收電路（如GaAs激光驅動器、接收器、復用器及解復用器、時鐘恢復電路等）、微波功率晶體管及功率放大器等各種系列的產品。