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。
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