磷化铟

磷化铟的商业化生产之路

发布: 2003-1-02 17:35 | 作者: maggie | 来源: 电子工程专辑

半导体技术的商业化生产历史可以看作是一系列工艺技术不断更新发展的历史。第一个商业化晶体管是用锗(Ge)制造的，但在20世纪60年代早期，硅(Si)器件很快就在性能和价位上超过了它。硅现在能确立在半导体工业中的统治地位，部分要归功于工艺技术的不断开发，使得硅器件在集成功能性和价位上具有很强的竞争能力。第三种商业化半导体技术出现于20世纪80年代后期，来自于化合物材料领域——砷化镓(GaAs)，但人们仍在寻找一种能替代砷化镓的化合物半导体技术，用于高性能、大批量商业应用中。现在一种新型半导体化合物器件已开始在实验室中出现，这就是磷化铟(InP)及其衍生材料，它们形成半导体材料发展的第四次浪潮。磷化铟在光纤制造、毫米波甚至在无线应用方面都明显地显示出使人信服的优于砷化镓

的性能优点，我们相信这些优点将使磷化铟与其它材料拉开差距，从而最终替代砷化镓成为化合物半导体技术的最佳选择。

所有新半导体技术都产生于实验室中，其成功与否取决于是否有能力按新的性能标准批量生产出器件。任何技术在用于大批量消费类应用之前都必须克服很多巨大挑战，作为第四波半导体技术，磷化铟也与所有新技术一样面临着同样的障碍。试图将一种半导体技术强行投入市场必然会导致失败，但只要这种新技术对用户来讲有明显的优

点，那么成功进入市场只是个时间问题。

市场动力

对于磷化铟器件来讲，几个目标市场中的用户推动力是不可否认的事实。在光纤通信领域，只有磷化铟半导体技术能够将光探测器和激光器与其它模拟和混合信号功能集成到同一基底上，具有高集成度和低价位的优点，从而使光器件实现重大突破；在无线领域，磷化铟放大器在许多方面都有很大改进，包括提高性能、降低功耗，另外较高的线性度和低温灵敏度能大大提高电池寿命而被现代手机设计所接受；在砷化镓或硅无法达到的毫米波应用方面，我们可以很容易通过磷化铟器件实现无源成像及市面上出现的其它最新应用。

新技术需要对现有各方面进行协调以实现从实验室到生产线的飞跃，对硅来说是这样，对砷化镓也是这样。幸运的是，大多数10年前更新的用于生产砷化镓的设备和工艺还能用在磷化铟生产中。虽然具体合金成分有所不同，但在外延设备包括多晶圆金属有机物化学气相沉积(MOCVD)和分子束外延(MBE)系统上采用的先进技术，对磷化铟和砷化镓生产都适用，干法蚀刻和基片削薄也是同样。因为两种技术的制造基础相同，所以磷化铟生产所需新型生产设备投资不大。此外，基片供应商在大直径基片开发方面也正在大步向前迈进，就像他们10年前为砷化镓所做的一样。

当砷化镓最初用于国防和航天工业时，人们花费了十多年时间将这一技术转换到民用商业应用中。磷化铟现正在进行着同样的转换，走着上世纪90年代初期砷化镓所走过的同样道路。1993年，TRW 宣布了将砷化镓异质结双极晶体管(HBT)用于商业市场的计划，计划最初却受到怀疑，因为HBT被认为在大批量生产中既不可靠又不具有可制造性。但如今砷化镓HBT己大量用于许多消费领域中，同时成为几种商业电信应用所选技术。今天，我们看到磷化铟在基片尺寸、价格和质量方面正沿着同样的模式前行，并且那些看到性能差距的用户正在同样地开始接受这一技术。

不过磷化铟工艺技术的优点仍然常被价位、成品率和可靠性所掩盖，任何工艺技术在其成形阶段都会有这些要求。磷化铟工艺普遍缺乏市场经验，也许这对于一些公司试图将该工艺从实验室转移到生产线是最大的障碍。换句话说，尽管磷化铟有着优越的性能，但我们需要的是一种经济的制造工艺，以便使这种技术在市场上更有竞争力。

有一条路可以为磷化铟工艺的开发提供借鉴，这就是已得到证明的砷化镓HBT批量生产工艺。砷化镓向市场转化时所得到的经验可以用于磷化铟，例如砷化镓HBT工艺流程就可直接转换为磷化铟HBT工艺。

批量生产的困难

对于任何一种新技术来讲，要被市场接受并获得长期成功不仅需要能进行批量生产，而且必须要证明它是可靠的，这是开始阶段付诸应用的关键。在这方面，磷化铟HEMT MMIC己在太空应用中证明了自己，卫星对元件严格的可靠性要求实际上己经为磷化铟在陆地上的商业应用铺平了道路。一种技术被采用的关键即是这种技术的批量生产能力，必须在开发阶段将可生产性设计到工艺中去，然而可生产性只有在生产线充分运行进行批量生产时才会体现出来。随着量产增加，任何半导体器件包括用磷化铟制造的器件其成本都会下降，工艺经验的改进和成品率上升会使一般器件在其寿命周期中价格成倍

地降下来。

新技术从研发到样品再到批量生产肯定会遇到一些障碍。锗、硅、砷化镓，每种技术都经历过成长的痛苦，磷化铟在向商用市场转化时可以借鉴砷化镓所遇到的问题而从中受益。

几年前开始进行砷化镓商业化时，建立可重复生产的砷化镓HBT 工艺要面对砷化镓基片供货情况、成本和可重复性等挑战，此外，背面减薄工艺和砷化镓基片制造也很是关键，但最后还是得到了大批量低成本砷化镓生产线。将这些经验应用到磷化铟生产工艺中去可加速该工艺批量生产的实现。

把生产难题放一边，材料成本也是一个需要考虑的因素，这在砷化镓上也有成功的经验。晶圆处理需要一些非常昂贵的材料，HEMT 和HBT器件质量好坏取决于制造器件所用材料的质量，广泛掌握材料特性和对原材料质量全面了解是磷化铟器件成功的关键。对砷化镓和磷化铟两者来讲，在材料特性和器件性能之间建立起相关性对于得到稳定和成功的制造非常重要，建立基本物理模型将可从理论推导出实际结果。

仍落后于硅工艺

今天的磷化铟光刻技术比硅落后了几代，但磷化铟器件的性能仍远远超过任何硅工艺。随着磷化铟朝向更小几何尺寸方向发展，性能上的差距将越来越大。发射极为0.13微米的锗化硅HBT器件根本无法与发射极尺寸是其10倍的磷化铟HBT器件竞争，想象一下当磷化铟HBT尺寸减小到接近今天硅片尺寸时电路性能上会有什么样的改变！磷化铟HEMT的性能在所有晶体管中是最高的，根据已公布的工作于220GHz集成电路的数据，磷化铟的技术性能远远超过任何其它基片。

像磷化铟这样的新技术首先是在大学和政府实验室，或者公司研发中心中产生轰动，而“第一”这样的荣誉则是先在重要的会议上发布