[科普中國]-砷化鎵集成電路

砷化鎵集成電路（gallium arsenide integrated circuit，GaAsIC），是指用半導(dǎo)體砷化鎵（GaAs）器件構(gòu)成的集成電路。砷化嫁集成電路包括了砷化嫁超高速集成電路(VHsIC)、微波單片集成電路(MMIC)和光電集成電路(OEIC)。GaAsIC主要指以GaAs半導(dǎo)體材料為主所制作的集成電路，其有源器件主要是金屬肖特基場效應(yīng)晶體管(MESFET)和結(jié)型場效應(yīng)晶體管(JFET)；同時還包含了用分子束外延(MB)E和有機金屬汽相沉積(MOCVD)生長的材料所制作的高電子遷移率晶體管(HEMT)和異質(zhì)結(jié)雙極晶體管(HBT)等器件所研制的集成電路1。

簡介集成電路是一種微小型化的電子電路，主要有半導(dǎo)體集成電路、薄膜集成電路、厚膜集成電路、混合集成電路等4類。其中半導(dǎo)體集成電路是依據(jù)固體的微觀及宏觀特性采用一系列摻雜工藝、細線條工藝、薄膜工藝等精密的微細加工工藝在單片半導(dǎo)體單晶材料上構(gòu)成包含需要的晶體管、二極管、電阻、電容等元器件的微小型化電子電路。砷化鎵集成電路是一種半導(dǎo)體集成電路，主要采用砷化鎵做為半導(dǎo)體材料。

砷化鎵集成電路具有的優(yōu)勢主要包括：高頻率、高速度、高功率、低噪聲和低功耗。CMOS的工作頻率上限大約為150MHz，與雙極晶體管技術(shù)相結(jié)合的BiCMOS可以將工作頻率提高到300MHz，再要求提高頻率將不得不采用ECL技術(shù)，其工作頻率可以提高到2～ 5GHz。樣品集成度達到3～ 4萬門，但其功耗太大，產(chǎn)品競爭性差。其趨勢是采用GaAs技術(shù)，其工作頻率可達到5～ 10GHz以上，功耗適中。因而是高速系統(tǒng)，特別是2.4Gb/s以上系統(tǒng)主要適用技術(shù)。對于某些應(yīng)用范圍，MESFET的低噪聲和高頻性能滿足不了要求，需要采用新器件HEMT， HFET和PHEMT。有時，為了考慮成本因素，采用了分立器件。譬如，在DBS接收機兩級低噪聲放大器采用分立HEMT來實現(xiàn)。 GaAs HBT是嶄露頭角的競爭者它能提供單電源供電的優(yōu)點，兼具有雙極器件的低相噪特性，適合用于振蕩器，其存在問題是成本高。值得指出，無線通信特別重視低電壓工作。而PHEMT正好具有這一優(yōu)點，譬如，采用適當(dāng)?shù)淖罴哑ヅ渚W(wǎng)絡(luò)，工作頻率800MHz，其漏偏壓1.5V，輸出功率30mW，增益10.6dB，附加效率(PAE) 80.4%；而偏壓3V，輸出功率122mW，增益12.2dB， PAE為84%。表3列出該器件漏偏壓在1.5～ 7.8V時，器件的性能變化。如采用適當(dāng)?shù)膴A斷電壓還可以實現(xiàn)單電源供電2。

應(yīng)用砷化稼集成電路在國民經(jīng)濟建設(shè)和國防建設(shè)中有著許多重要用途，而且是硅集成電路所替代不了的。其主要應(yīng)用領(lǐng)域是：通信衛(wèi)星、電視衛(wèi)星接收、移動通信、高清晰度電視、微波毫米波數(shù)字頻率源、光通信、超高速率訊號處理、微型超級計算機、惡劣環(huán)境下用計算機和控制機、高性能儀器、微波傳感以及許多重要的國防軍用電子裝備等。

工藝流程在實際的工藝過程當(dāng)中，一般都有下述所描述的工藝。將己經(jīng)拋光的襯底進行退火處理，熱處理的溫度要與離子注入退火的溫度相近，一般在800℃一850℃之間。熱處理的時間要足夠的長。熱處理后的襯底，可以用探針測漏電流，一般來說，襯底經(jīng)過長時間熱處理之后，表面電阻率總要下降，尤其襯底背面不可避免的要出現(xiàn)泄漏電流。一般背面漏電流在200伏特下小于10微毫安的襯底是完全可以使用的。

根據(jù)實際的需要決定有源層厚度及濃度。如采用離子注入，表面高濃度的注入劑量一般不能低于平方厘米。如果是外延襯底，一般是緩沖層、有源層、表面高濃度的結(jié)構(gòu)。有源層的厚度在挖槽工藝中，要求精度不很嚴格，總可以通過挖槽時的腐蝕確定最后的有源層厚度。離子注入后的襯底，經(jīng)過退火激活有源層后，如果在分布情況與退火激活之前的情況相差很多的話，那么說明襯底的溫度穩(wěn)定性很差。形成臺面的目的是將器件隔離開來。與集成電路中的工序大體一致，砷化鎵集成電路制造過程中的光刻工藝也是由涂膠，前烘，曝光，顯影，定影，堅膜等工序構(gòu)成。源漏常用剝離工藝形成，剝離中采用正膠，不用負膠。

柵的形成柵形成的過程同樣采用剝離工藝。柵挖槽工藝通常需要經(jīng)過幾次腐蝕工藝才能達到滿意的效果。當(dāng)所有部件完成以后，那么需要進行鈍化。薄的砷化鎵襯底有助于幫助散發(fā)熱量，所以要進行襯底減薄工藝，減薄的狀況視砷化鎵襯底的機械強度而定。在形成砷化鎵電路過程當(dāng)中，形成砷化鎵 MESFET器件是其中關(guān)鍵的一個流程3。

砷化鎵砷化鎵（gallium arsenide），化學(xué)式 GaAs。黑灰色固體，熔點1238℃。它在600℃以下，能在空氣中穩(wěn)定存在，并且不被非氧化性的酸侵蝕。砷化鎵是一種重要的半導(dǎo)體材料。屬Ⅲ－Ⅴ族化合物半導(dǎo)體。屬閃鋅礦型晶格結(jié)構(gòu)，晶格常數(shù)5.65×10-10m，熔點1237℃，禁帶寬度1.4電子伏。砷化鎵于1964年進入實用階段。砷化鎵可以制成電阻率比硅、鍺高3個數(shù)量級以上的半絕緣高阻材料,用來制作集成電路襯底、紅外探測器、γ光子探測器等。由于其電子遷移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速數(shù)字電路方面得到重要應(yīng)用。用砷化鎵制成的半導(dǎo)體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優(yōu)點。此外，還可以用于制作轉(zhuǎn)移器件──體效應(yīng)器件。砷化鎵是半導(dǎo)體材料中，兼具多方面優(yōu)點的材料,但用它制作的晶體三極管的放大倍數(shù)小，導(dǎo)熱性差，不適宜制作大功率器件。雖然砷化鎵具有優(yōu)越的性能，但由于它在高溫下分解，故要生產(chǎn)理想化學(xué)配比的高純的單晶材料，技術(shù)上要求比較高。砷化鎵的優(yōu)點：

1.電子物理特性

砷化鎵（GaAs）擁有一些比硅（Si）還要好的電子特性，如高的飽和電子速率及高的電子遷移率，使得GaAs可以用在高于250 GHz的場合。如果等效的GaAs和Si元件同時都操作在高頻時，GaAs會擁有較少的噪聲。也因為GaAs有較高的擊穿電壓，所以GaAs比同樣的Si元件更適合操作在高功率的場合。因為這些特性，GaAs電路可以運用在移動電話、衛(wèi)星通訊、微波點對點連線、雷達系統(tǒng)等地方。GaAs曾用來做成Gunn diode（中文翻做“甘恩二極管”或“微波二極管”，中國大陸地區(qū)叫做“耿氏二極管”）以發(fā)射微波。現(xiàn)今RFCMOS雖可達到高操作頻率及高整合度，但其先天物理上缺點如低擊穿電壓、硅襯底高頻損耗、信號隔離度不佳、低輸出功率密度等，使其在功率放大器及射頻開關(guān)應(yīng)用上始終難以跟砷化鎵匹敵。

2.能隙

GaAs的的另一個優(yōu)點：它是直接能隙的材料，所以可以用來發(fā)光。而Si是間接能隙的材料，只能發(fā)射非常微弱的光。（但是，最近的技術(shù)已經(jīng)可以用Si做成LED和運用在激光，發(fā)光效率仍不甚理想。）

3.切換速度

因為GaAs的切換速度很快，所以GaAs被認為是電腦應(yīng)用的理想材料。1980年代時，大家都認為微電子市場的主力將從Si換成GaAs。首先試著要去改變的有超級電腦的供應(yīng)商克雷公司、Convex電腦公司，Alliant電腦系統(tǒng)公司，這些公司都試著要搶下CMOS微處理器技術(shù)的領(lǐng)導(dǎo)地位。Cray公司最后終于在1990年代早期建造了一臺GaAs為基礎(chǔ)的機器，叫Cray-3。但這項成就還沒有被充分地運用，公司就在1995年破產(chǎn)了，1996年為硅谷圖形公司收購，經(jīng)種種難關(guān)，2000年后原名復(fù)活。

4.抗天然輻射

砷化鎵比硅更不會受到自然輻射的干擾，不易產(chǎn)生錯誤信號。

本詞條內(nèi)容貢獻者為:

王慧維 - 副研究員 - 西南大學(xué)