GaAs在高頻功率器件中的應(yīng)用研究與技術(shù)發(fā)展

劉潔

摘要：在高科技產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域，核心基礎(chǔ)材料往往扮演者極為關(guān)鍵的角色，也是需要持續(xù)高投入、承受高風(fēng)險(xiǎn)、費(fèi)時(shí)費(fèi)力的一大領(lǐng)域，砷化鎵（GaAs）是一種很容易被提起的半導(dǎo)體材料，它與整個(gè)半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)密切相關(guān)，這也是我國產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)中最為薄弱的環(huán)節(jié)。

砷化鎵（GaAs）是目前最重要、最成熟的化合物半導(dǎo)體材料之一，廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域。目前全球砷化鎵單晶的總年產(chǎn)量已超過 200噸，我國也是繼日本、德國之后第三個(gè)掌握砷化鎵晶體生長技術(shù)的國家。

關(guān)鍵詞：砷化鎵（GaAs）;功率器件;5G

1 概述

GaAs是Ⅲ-Ⅴ族元素的化合物，黑灰色固體，熔點(diǎn)1238℃。它在600℃以下，能在空氣中穩(wěn)定存在，并且不為非氧化性的酸侵蝕，其電子遷移率高、介電常數(shù)小，能引入深能級雜質(zhì)、電子有效質(zhì)量小。

在高頻功率器件中，GaAs（包括HBT，MESFET，HEMT等）技術(shù)是最成熟的。由于傳送訊號的射頻元件具有工作頻率高、低功耗、低雜散等特點(diǎn)，而砷化鎵本身具有光電與高速的特性，因此多用于光電和高頻通訊用元件。

在微波大功率應(yīng)用上，一直就是GaAs的天下，它主要應(yīng)用于高頻通訊、無線網(wǎng)絡(luò)及光電子領(lǐng)域，隨著5G的逐步到來，整個(gè)社會將進(jìn)入萬物互聯(lián)的新階段，半導(dǎo)體相關(guān)芯片、器材需求量將進(jìn)一步爆發(fā)。

2 GaAs發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 GaAs應(yīng)用

砷化鎵（GaAs）是目前最重要、最成熟的化合物半導(dǎo)體材料之一，廣泛應(yīng)用于光電子和微電子領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體材料相比，它具電子遷移率高、禁帶寬度大、直接帶隙、消耗功率低等特性，電子遷移率約為硅材料的5.7倍。

砷化鎵是典型的直接躍遷型能帶結(jié)構(gòu)，導(dǎo)帶極小值與價(jià)帶極大值均處于布里淵區(qū)中心，即K=0處，這使其具有較高的電光轉(zhuǎn)換效率，是制備光電器件的優(yōu)良材料。在300 K時(shí)，砷化鎵材料禁帶寬度為1.42 eV，遠(yuǎn)大于鍺的0.67 eV和硅的1.12 eV，因此，砷化鎵器件可以工作在較高的溫度下和承受較大的功率，并廣泛應(yīng)用于高頻及無線通訊中制做IC器件。

2.2 制造工藝

從20世紀(jì)50年代開始，已經(jīng)開發(fā)出了多種砷化鎵單晶生長方法。目前主流的工業(yè)化生長工藝包括：液封直拉法（LEC）、水平布里其曼法（HB）、垂直布里其曼法（VB）以及垂直梯度凝固法（VGF）等。

2.2.1 液封直拉法（Liquid Encapsulated Czochralski，簡稱LEC）

LEC法是生長非摻半絕緣砷化鎵單晶（SI GaAs）的主要工藝，目前市場上80%以上的半絕緣砷化鎵單晶是采用LEC法生長的。LEC法采用石墨加熱器和PBN坩堝，以B2O3作為液封劑，在2MPa的氬氣環(huán)境下進(jìn)行砷化鎵晶體生長。

2.2.2 水平布里其曼法（Horizontal Bridgman，簡稱HB）

HB法是曾經(jīng)是大量生產(chǎn)半導(dǎo)體（低阻）砷化鎵單晶（SC GaAs）的主要工藝，使用石英舟和石英管在常壓下生長，可靠性和穩(wěn)定性高。優(yōu)點(diǎn)是可利用砷蒸汽精確控制晶體的化學(xué)劑量比，溫度梯度小從而達(dá)到降低位錯(cuò)的目的。主要缺點(diǎn)是難以生長非摻雜的半絕緣砷化鎵單晶，所生長的晶體界面為D形，在加工成晶片過程中將造成較大的材料浪費(fèi)，且難以生長大直徑的晶體。

2.2.3 垂直布里其曼法（Vertical Bridgman，簡稱VB）

VB法是上世紀(jì)80年代末開始發(fā)展起來的一種晶體生長工藝，將合成好的砷化鎵多晶、B2O3以及籽晶裝入PBN坩堝并密封在抽真空的石英瓶中，爐體垂直放置，采用電阻絲加熱，石英瓶垂直放入爐體中間。高溫下將砷化鎵多晶熔化后與籽晶進(jìn)行熔接，然后通過機(jī)械傳動機(jī)構(gòu)由支撐桿帶動石英瓶與坩堝向下移動，在一定的溫度梯度下，單晶從籽晶端開始緩慢向上生長。

2.2.4 垂直梯度凝固法（Vertical Gradient Freeze，簡稱VGF）

VGF工藝與VB工藝的原理和應(yīng)用領(lǐng)域基本類似。其最大區(qū)別在于VGF法取消了晶體下降走車機(jī)構(gòu)和旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，由計(jì)算機(jī)精確控制熱場進(jìn)行緩慢降溫，生長界面由熔體下端逐漸向上移動，完成晶體生長。

3 GaAs的產(chǎn)業(yè)發(fā)展

3.1 產(chǎn)業(yè)鏈及供需

GaAs 材料是繼硅單晶之后的第二代新型化合物半導(dǎo)體材料，在微電子和光電子領(lǐng)域有著廣泛的用途。GaAs材料在世界發(fā)達(dá)國家均被視為戰(zhàn)備儲備物資，如美國將砷化鎵材料的生產(chǎn)應(yīng)用技術(shù)列入國防白皮書，從而對美國國防技術(shù)起到了重要作用。在現(xiàn)代軍備技術(shù)中，幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)均與砷化鎵材料有直接關(guān)系。例如，機(jī)載相控雷達(dá)、戰(zhàn)術(shù)紅外線夜視鏡，抗輻射電子元件，紅外線激光導(dǎo)航、紅外線激光瞄準(zhǔn)儀等。近年來，發(fā)光二極管（LED）以及太陽能產(chǎn)業(yè)的蓬勃發(fā)展更是給砷化鎵半導(dǎo)體材料帶來了廣闊的應(yīng)用空間，市場前景極其繁榮。

GaAs半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈包括GaAs單晶制備、晶片加工、外延芯片、IC集成電路設(shè)計(jì)以及器件應(yīng)用等，其中單晶制備處于整條產(chǎn)業(yè)鏈的上游。

3.2全球產(chǎn)能

半絕緣砷化鎵材料主要用于高頻通信器件，受到近年民用無線通信市場尤其是手機(jī)市場的拉動，半絕緣砷化鎵材料的市場規(guī)模也出現(xiàn)了快速增長的局面。2003～2008年，半絕緣砷化鎵市場需求增長了54%。目前微電子用砷化鎵晶片市場主要掌握在日本住友電工（Sumitomo Electric）、費(fèi)里伯格（Freiberger Compound Materials）、日立電線（Hitachi Cable）和美國AXT等四家大公司手中。主要以生產(chǎn)4、6英寸砷化鎵材料為主。

4 GaAs的發(fā)展趨勢

不同于傳統(tǒng)的硅半導(dǎo)體（Silicon Semiconductor），GaAs屬于化合物半導(dǎo)體（Compound Semiconductor），又稱III-V族半導(dǎo)體，進(jìn)入4G時(shí)代，手機(jī)的射頻前段變得更加復(fù)雜，手機(jī)射頻系統(tǒng)主要元件包括收發(fā)器Transceiver、功率放大器Power Amplifier、濾波器Filters和Antenna Switches。2011年此市場規(guī)模大約為38億美元，到2016年達(dá)到50億美元。

根據(jù)IMF測算，每1美元半導(dǎo)體芯片的產(chǎn)值可帶動相關(guān)電子信息產(chǎn)業(yè)10美元產(chǎn)值，并帶來100美元GDP，這種價(jià)值鏈的放大效應(yīng)奠定了半導(dǎo)體行業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中的重要地位。從2013年到2018年，全球半導(dǎo)體市場規(guī)模從3056億美元迅速提升至4688億美元，年均復(fù)合增長率達(dá)到8.93%。根據(jù)IC Insights統(tǒng)計(jì)，從2013年到2018年僅中國半導(dǎo)體集成電路市場規(guī)模就從820億美元擴(kuò)大至1550億美元，年均復(fù)合增長率約為13.58%。

未來隨著5G市場的發(fā)展，中國的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)也將進(jìn)入加速發(fā)展的階段，伴隨著越來越多領(lǐng)域的需求，在射頻前端等高頻領(lǐng)域占有重要作用的GaAs器件也將得到更多更廣泛的應(yīng)用。

（作者單位：中國電子科技集團(tuán)公司第29研究所）