用于VHF上的半導(dǎo)體技術(shù)

毫米波長(zhǎng)范圍（30-300GHz）內(nèi)除了其較低端外，還沒(méi)有很好地被利用。而在成像，安全，醫(yī)療，和短距離無(wú)線傳輸以及數(shù)據(jù)速率不斷提高的光纖傳輸中的新應(yīng)用可能會(huì)迅速地改變這種狀態(tài)[1]，[2]。在過(guò)去的三十年里，III-V 技術(shù)（GaAs 和InP）已經(jīng)逐漸擴(kuò)大到這個(gè)毫米波范圍中。新近以來(lái)，由于工藝尺寸持續(xù)不斷地減小，硅技術(shù)已經(jīng)加入了這個(gè)“游戲”。

在本文中，按照半導(dǎo)體特性和器件要求，對(duì)可用于100-GHz 和100-Gb/s 應(yīng)用的半導(dǎo)體有源器件進(jìn)行了綜述。隨后介紹了使用最廣泛的技術(shù)，接著是兩個(gè)不同方面具有競(jìng)爭(zhēng)性的技術(shù)現(xiàn)狀：分頻器，來(lái)說(shuō)明該技術(shù)適宜用在高速數(shù)字電路中，以及振蕩器，用來(lái)說(shuō)明其在模擬電路應(yīng)用中的性能。

材料和工藝的基本特性

半導(dǎo)體材料的特性

運(yùn)行在很高頻率下的電子器件所表現(xiàn)的性能主要與：1)組成半導(dǎo)體的材料特性和2)器件的結(jié)構(gòu)有關(guān)[3]。Si，GaAs 和InP 是目前具有截止頻率在300GHz 及以上的器件所選擇的材料。在表1，人們給出了一些相關(guān)的表征能隙，載流子輸運(yùn)特性和導(dǎo)熱性的參數(shù)。同樣也報(bào)道了與InP，GaN 和InAs 晶格相匹配的InGaAs 的特性。

擁有一個(gè)足夠大能隙（Eg>1eV ）是很有利的，這是因?yàn)樗梢蕴峁┖玫膿舸┨匦?。Si，GaAs 和InP 在100nm 實(shí)際上可以承受幾伏的電壓水平；此外，p-n 結(jié)顯示出很明晰的整流行為，室溫下的泄漏電流可以忽略不計(jì)。采用GaN 可以獲得更高的擊穿電壓，InAs 因?yàn)槠淠芟逗艿投荒苡糜陔妷汉艿偷钠骷?/p>

III-V 材料中的電子遷移率比硅的要大，這意味著在給定的摻雜濃度下，n-型接觸區(qū)具有較低的串聯(lián)電阻，而對(duì)于p-型 區(qū)來(lái)說(shuō)，由于III-V 材料較低的空穴遷移率，情況則恰恰相反。然而，在器件的高場(chǎng)強(qiáng)區(qū)控制跨導(dǎo)和渡越時(shí)間的載流子速度與取決于載流子類型的飽和漂移速度相接近（Vsat 或Vsath′取決于載流子的類型；接近于10nm/ps）。由于暫態(tài)效應(yīng)（電子從導(dǎo)帶中的低能級(jí)，高遷移率能谷到達(dá)較高能級(jí)，較低遷移率能谷的轉(zhuǎn)換不是瞬間發(fā)生的），電子的傳輸通常會(huì)受益于一些過(guò)沖量；例如，根據(jù)具有薄集電極的InP異質(zhì)結(jié)雙極性晶體管（HBT）的基極到集電極的渡越時(shí)間所推導(dǎo)出的有效速度大于3×107cm/s，大約是飽和速度的5 倍[5]。

甚高頻率性能意味著較短的渡越時(shí)間和較低的RC寄生量；對(duì)于場(chǎng)效應(yīng)管（FET）和雙極性晶體管來(lái)說(shuō)，這通常可以通過(guò)減小電子器件的尺寸和提高電流密度來(lái)實(shí)現(xiàn)（例如，見(jiàn)[6]）。對(duì)于極高頻器件和電路來(lái)說(shuō)，熱導(dǎo)率則成為一個(gè)重要的參數(shù)，硅在與其III-V 技術(shù)的對(duì)手相比時(shí)，其所具有的良好的導(dǎo)熱性便成為一個(gè)真正的優(yōu)勢(shì)，因?yàn)檫@有可能達(dá)到更高的器件密度。

基于III-V 技術(shù)的早期單片微波集成電路（MMIC）的主要優(yōu)點(diǎn)之一要?dú)w因于未摻雜（或補(bǔ)償）基片的半絕緣特性，這是與其大的半導(dǎo)體能隙直接相關(guān)的（基片的電阻率為108Ω.cm 的數(shù)量級(jí)，而硅的電阻率為104Ω.cm）。這使得可以實(shí)現(xiàn)具有低關(guān)聯(lián)寄生效應(yīng)的電阻，電感和傳輸線。隨著近來(lái)巨大的微波應(yīng)用市場(chǎng)的開(kāi)發(fā)（例如，移動(dòng)電話網(wǎng)絡(luò)），在硅基技術(shù)上引入無(wú)源器件這方面已經(jīng)取得了很大的進(jìn)展。此外，絕緣體加載硅基片技術(shù)（SOI）已經(jīng)展示出其降低寄生效應(yīng)的潛力（然而，這是以較低的基片導(dǎo)熱率為代價(jià)的）。

服務(wù)于高頻應(yīng)用的FET 和雙極性晶體管

今天，適用于高頻應(yīng)用的雙極性晶體管和FET 是基于異質(zhì)結(jié)結(jié)構(gòu)的（除了是硅基MOSFET 以外）。對(duì)異質(zhì)結(jié)的開(kāi)發(fā)已經(jīng)有40 多年了，并且在材料和晶格應(yīng)力方面還在不斷地發(fā)展著。兩種不同材料（具有同樣的晶體結(jié)構(gòu)和同樣的晶格參數(shù)）之間的異質(zhì)結(jié)主要是由它們的能隙差異，以及由這種差異所區(qū)分的導(dǎo)帶和價(jià)帶的階躍方式來(lái)表征的（表2）。在晶體管的有源區(qū)，異質(zhì)結(jié)被用來(lái)達(dá)到兩個(gè)不同的目的：

? 不論它們各自的摻雜濃度如何，保證雙極性晶體管中從發(fā)射極向基極注入的是電子占主導(dǎo)地位的載流子
? 在高電子遷移率晶體管（HEMT）中將電子局限在未摻雜的量子肼中。

雖然最初是針對(duì)晶格匹配異質(zhì)結(jié)來(lái)實(shí)施的，但很快就顯示出用在失配異質(zhì)結(jié)中也可以增強(qiáng)性能，條件是應(yīng)力結(jié)晶層是在假晶厚度的極限內(nèi)（如果生長(zhǎng)層足夠薄，其晶格常數(shù)會(huì)調(diào)整到基片的晶格常數(shù)）。這種特性被用在HBT 中（例如漸變組分的方法，graded-composition）來(lái)生成具有短的渡越時(shí)間的基極層，以及高遷移率HEMT 的溝道層。在臨界厚度以上，（失配程度越高，層厚就越?。?，生長(zhǎng)層松弛下來(lái)，在晶體結(jié)構(gòu)中便會(huì)出現(xiàn)晶格脫位。這種現(xiàn)象仍然可以被用來(lái)在基片的頂部生成具有不同晶格參數(shù)的高質(zhì)量晶體層，在中間有一個(gè)過(guò)渡層（緩沖層）來(lái)俘獲大多數(shù)的脫位。例如，這種結(jié)構(gòu)可以在被稱為改性（metamorphic）HEMT 中找到，在松弛緩沖層之上又生長(zhǎng)了一層高質(zhì)量的活性異質(zhì)結(jié)構(gòu)。特別是，變性結(jié)構(gòu)允許采用極高遷移率的InAs 溝道[7]，[8]。