第五章。射频化合物半导体技术
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______________________________________________________________ NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE
III-V化合物半导体技术发展里程碑
晶体合成与单晶拉制： GaAs：1956；InP：1968
器件研究：GaAs GUNN 1963
______________________________________________________________ NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE
RF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
射频应用对半导体特性、效应的 深入挖掘
GaAs、InP单晶体生长的难点
合成与生长：熔点温度下高挥发（As、P） ——高蒸汽压、纯化学配比
高温生长——坩堝沾污 高温高压——不完整性：缺陷、位错
GaAs（InP）单晶拉制工艺：LEC、VB、VGF
机械强度——晶片加工与器件制造工艺困难
______________________________________________________________ NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE
三极管：GaAs MESFET 1970
异质结三极管：GaAs：HBT 1977；HEMT 1980；PHEMT 1985 InP：HEMT 1987
单片集成电路（MMIC）：GaAs 1976；InP 1990
宽禁带半导体三极管器件：GaN HEMT 1993
宽禁带MMIC：GaN HEMT MMIC 2000
射频III-V族化合物 半导体技术
2003.10
成都
内容限定
化合物：元素半导体……（Ga,Te,Se,Ge,Si…..) III-V族：SiGe、SiC、II-VI族半导体…… 射频（RF）：光、热、敏感、低频…… 实用性成熟：低维结构（量子点、量子线、量
子谐振隧穿……） ABCS（锑化物基半导体）
______________________________________________________________ NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE
我国III-V化合物半导体技术的历程
GaAs单晶拉制：1961（1959） GaAs GUNN二极管研制：1964（1963） GaAs MESFET研制：1975（1970） GaAs MESFET MMIC研制：1980（1976） GaAs基HEMT研制：1984（1980） GaAs材料合成试验：1959（1956） GaN HEMT研制：1999（1993）
III-V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
发展遇到的最大困难是材料生长的困难
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
中国的III-V化合物半导体技术发展始于1960 年代前期
__________________________________________ห้องสมุดไป่ตู้___________________ NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE
传统（二极管、三极管）器件特性的充分利用： I-V特性的利用：线性、非线性、大动态范围 结电容特性的利用：线性、非线性 沟道电导调制效应的利用
电子在高场下的漂移特性： 迁移率的非线性、电子饱和速度
高能电子在强场下的特殊行为： 碰撞引起载流子倍增与雪崩倍增 导带子能谷之间的电子谷间转移
______________________________________________________________ NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE
III-V半导体材料技术的发展直接推动 器件与应用的进程：例
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： 1967 GaAs MESFET（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：1970s初）
外延技术（MBE、MOCVD）的发展直接推动化合物新型器件 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 1957 Kroemer 提出完整的HBT设计理论 1977 Konnzai等制造出第一个真正的GaAs/AlGaAs HBT
HEMT——
1978 Dingle 用MBE生长出能产生2DEG的异质结构 1980 Mimura等制造出第一个AlGaAs/GaAs HEMT
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
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
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 功能性材料的追求——单片化多功能集成电路技术
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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： 产生信号频率的谐波、分谐波成分—— 变频、倍频、分频
Schottky 二极管、检波二极管、混频二极管、 隧道二极管
结电容的压控特性： 改变谐振回路频率及Q值——宽带信号源
变容二极管、阶跃二极管
沟道电导的非线性调制： 用于RF信号的衰减、限幅
内容
III-V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 器件设计：“掺杂工程”——“能带工程” 材料制造技术：基础材料——“功能材料” III-V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 结论
III-V化合物半导体的特性 优势与发展历程
III-V化合物半导体的主要吸引力
III-V化合物半导体技术发展里程碑
晶体合成与单晶拉制： GaAs：1956；InP：1968
器件研究：GaAs GUNN 1963
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RF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
射频应用对半导体特性、效应的 深入挖掘
GaAs、InP单晶体生长的难点
合成与生长：熔点温度下高挥发（As、P） ——高蒸汽压、纯化学配比
高温生长——坩堝沾污 高温高压——不完整性：缺陷、位错
GaAs（InP）单晶拉制工艺：LEC、VB、VGF
机械强度——晶片加工与器件制造工艺困难
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三极管：GaAs MESFET 1970
异质结三极管：GaAs：HBT 1977；HEMT 1980；PHEMT 1985 InP：HEMT 1987
单片集成电路（MMIC）：GaAs 1976；InP 1990
宽禁带半导体三极管器件：GaN HEMT 1993
宽禁带MMIC：GaN HEMT MMIC 2000
射频III-V族化合物 半导体技术
2003.10
成都
内容限定
化合物：元素半导体……（Ga,Te,Se,Ge,Si…..) III-V族：SiGe、SiC、II-VI族半导体…… 射频（RF）：光、热、敏感、低频…… 实用性成熟：低维结构（量子点、量子线、量
子谐振隧穿……） ABCS（锑化物基半导体）
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我国III-V化合物半导体技术的历程
GaAs单晶拉制：1961（1959） GaAs GUNN二极管研制：1964（1963） GaAs MESFET研制：1975（1970） GaAs MESFET MMIC研制：1980（1976） GaAs基HEMT研制：1984（1980） GaAs材料合成试验：1959（1956） GaN HEMT研制：1999（1993）
III-V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
发展遇到的最大困难是材料生长的困难
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
中国的III-V化合物半导体技术发展始于1960 年代前期
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传统（二极管、三极管）器件特性的充分利用： I-V特性的利用：线性、非线性、大动态范围 结电容特性的利用：线性、非线性 沟道电导调制效应的利用
电子在高场下的漂移特性： 迁移率的非线性、电子饱和速度
高能电子在强场下的特殊行为： 碰撞引起载流子倍增与雪崩倍增 导带子能谷之间的电子谷间转移
______________________________________________________________ NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE
III-V半导体材料技术的发展直接推动 器件与应用的进程：例
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： 1967 GaAs MESFET（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：1970s初）
外延技术（MBE、MOCVD）的发展直接推动化合物新型器件 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 1957 Kroemer 提出完整的HBT设计理论 1977 Konnzai等制造出第一个真正的GaAs/AlGaAs HBT
HEMT——
1978 Dingle 用MBE生长出能产生2DEG的异质结构 1980 Mimura等制造出第一个AlGaAs/GaAs HEMT
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
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
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 功能性材料的追求——单片化多功能集成电路技术
______________________________________________________________ NANJING ELECTRONIC DEVICES INSTITUTE
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： 产生信号频率的谐波、分谐波成分—— 变频、倍频、分频
Schottky 二极管、检波二极管、混频二极管、 隧道二极管
结电容的压控特性： 改变谐振回路频率及Q值——宽带信号源
变容二极管、阶跃二极管
沟道电导的非线性调制： 用于RF信号的衰减、限幅
内容
III-V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 器件设计：“掺杂工程”——“能带工程” 材料制造技术：基础材料——“功能材料” III-V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 结论
III-V化合物半导体的特性 优势与发展历程
III-V化合物半导体的主要吸引力