2022年超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究 .pdf

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1、项目名称：超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究首席科学家：刘新宇中国科学院微电子研究所起止年限：2010 年 1 月-2014 年 8 月依托部门：中国科学院名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 31 页 - - - - - - - - - 一、研究内容（一）拟解决的关键科学问题在信息社会，人们对信息大容量传输和高速处理、获取的提出越来越高的要求，使得微电子科学与技术面临许多严峻的挑战。如何充分发挥化合物半导体器件在超高频、 大功率方面的优势， 从而

2、实现微电子器件和集成电路从吉赫兹到太赫兹的跨越，解决信息大容量传输和高速处理、获取的难题，在材料、器件和集成技术等方面急需解决以下所涉及的共性关键科学问题：（1） 化合物半导体材料原子级调控与生长动力学化合物半导体材料与Si 材料最大的区别在于化合物半导体是由二元、三元、四元系材料组成。结构材料是借助先进的分子束外延（MBE）和金属有机化学气象沉积（ MOCVD ）设备来实现的，原子级调控是利用不同种类的原子在外延过程中的结合能、 迁移率等的不同， 借助高温衬底提供的激活能，控制原子占据不同的晶格位臵， 在表面上迁移并结晶的动力学过程，使外延材料呈现出多样的晶体结构和物理特性， 如不同原子层形

3、成异质结构产生量子限制效应、不同大小原子构成应变材料产生应变效应、极化效应和局域化效应等。 充分利用上述效应可有效地改变材料的能带结构，是实现高性能超高频InP 基和大功率 GaN 基结构材料的基础。如在传统AlGaN/GaN HEMT 材料异质结界面插入23 个原子层厚的 AlN 势垒层和 InGaN 背势垒层，可以改变材料的能带结构，更好地限制二维电子气， 并显著降低对载流子的合金散射，提高材料中二维电子气的输运特性。 在 InP衬底上利用四元合金InGaAsSb材料引入双轴应力提高空穴迁移率，实现 InP 基 p-MOS 结构。由此可见，充分利用化合物半导体材料原子级调控与生长动力学是实

4、现新材料、新结构设计的关键和基础。因此，充分研究和深入认识化合物半导体原子级调控和生长动力学是本项目需要解决的共性关键科学问题之一。本项目将深入研究InP 基、GaN 基材料原子的排列导致能带结构的变化， 利用量子效应、 应变效应引入双轴应力， 减小载流子的有效质量；利用极化效应和局域化效应优化能带设计，提高二维电子气浓度、迁移率和限域特性， 为实现超高频、 太赫兹和毫米波大功率器件的材料结构设计提供理论指导；深入开展 InP 基、 GaN基材料结构与器件宏观性能的关联性研究，通过材料结构设计提高二维电子气浓度和迁移率、减少InP DHBT 导带尖峰、抑制 GaN HEMT 电流崩塌和短沟道效

5、应，提高器件的性能；深入研究化合物半导体表面再构形成的机理， 考虑半导体的表面对生长过程中原子的运动、结合机制影响，建立热力学模型， 形成完善生长理论， 解决同质和异质界面生长的动力学问题；深入研究应力场中原子运动和结合机制，掌握缺陷的形成、 增殖和运动机制，解决大失配异质结构的生长、以及应力场中的高掺杂问题。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 31 页 - - - - - - - - - 该科学问题是形成高质量化合物半导体材料结构的理论基础和依据。（2）超高

6、频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律化合物半导体器件由于材料自身特性，如电子迁移率高、 二维电子气浓度高、击穿场强高、 饱和漂移速度大等特点， 非常适合于超高频、 大功率器件和电路的研究，特别是在利用化合物半导体实现超高频CMOS 器件、InP 基实现太赫兹器件、GaN 基实现毫米波大功率等方面极具潜力。但随着器件频率从吉赫兹跨越到太赫兹，器件特征尺寸（FET 器件沟道尺寸、 HBT 器件纵向结构尺寸）缩小到纳米尺度后，器件短沟道效应、量子效应、强场效应的影响日趋严重，严重地制约器件性能的提高，如在HMET 器件中，沟道中的电场不断增加，强场下器件短沟道效应、 量子隧穿效应恶化器件性

7、能， 而载流子微观统计引起的涨落等量子效应现象对器件性能的影响有待于进一步深入研究；在HBT 器件中，随电流密度的提高， 可动载流子会对集电极的电场产生屏蔽作用，使载流子的运动速度降低， 使高频特性在高电流下退化； 这些宏观特性与化合物半导体器件在超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律密切相关。因此，如何充分理解和挖掘器件在超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律是本项目需要解决的共性关键科学问题之二。在超高频、超强场、纳米尺度下， 主导器件工作的基本原理将逐渐由经典物理过渡到量子力学。本项目将深入研究纳米尺度下化合物半导体器件非平衡载流子输运理论，理解影响超高频器件速度

8、的关键因素究竟是载流子的饱和速度还是速度过冲以及制约载流子输运速度的因素是什么， 这一问题的解决将为太赫兹新器件提供理论指导和依据，使新器件的创新乃至突破有据可依；深入研究异质结构量子隧穿效应、载流子的弹道输运及微观统计引起的涨落等现象，采用Monte Carlo 等模拟方法研究纳米尺度、 飞秒量级下载流子输运规律，建立一套能够描述超高频、 纳米尺度化合物半导体器件的物理模型；深入研究超强场（热场、电场）下异质结构非平衡态条件下 2DEG 的输运行为，通过改变磁场强度、温度、栅压、光辐照等动态调制，揭示子带结构、 子带占据和各种散射机制在非平衡态下、以及从非平衡态到平衡态转变过程中的变化规律，

9、 了解影响 2DEG 输运特性的各种物理过程。 深入研究化合物半导体材料表面态、缺陷、极化效应等对载流子输运、散射、捕获及能态跃迁等机理的影响，指导高性能材料生长和器件研制。该科学问题是实现化合物半导体器件从吉赫兹到太赫兹跨越的理论和技术基础。（3）超高频、大功率集成技术中信号传输机理与耦合机制随着电路和系统工作频率的提高，特别是进入毫米波（30-300GHz）波段，电磁波波长与器件和系统的几何尺寸已经可以比拟，电磁波在传输过程中的相位滞后、趋肤效应、 辐射效应等都不能忽略， 相应的集成电路与系统的电特性分析名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - -

10、- - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 31 页 - - - - - - - - - 与设计的基础是电磁场理论和传输线理论。信号传输采用微带线和共面波导形式，一方面其电磁场传播模式是具有色散效应的准横向电磁波（准TEM），另一方面在复杂多通道的电路和系统中存在有通道间耦合，这些都将导致产生信号的畸变、信号间串扰等信号完整性问题。同时，由于集成度和功率的提高，电磁耦合和电磁辐射导致的电磁兼容性问题也愈加突出，已成为系统性能进一步提高的制约性因素。电路与系统间的热场分布与电磁场分布通过材料与结构的电特性和物理特性相互关联、 相互作用，使得电路与系统的电

11、性能和可靠性受到热效应的严重影响。因此，信号完整性、电磁兼容问题与热效应问题是超高频、大功率集成技术中的三大难题。因此，如何分析和研究超高频、大功率集成电路和系统中的信号（电、磁、热）传输机理与耦合机制，解决集成技术中存在的关键难题是本项目需要解决的共性关键科学问题之三。 在超高频、大功率集成技术中， 主导信号传输的基本原理将逐渐由电路理论延伸到电路、电磁场、热场一体化理论。 本项目将深入研究超高频、 大功率集成电路和系统中电磁场、热场的传输机理与耦合机制，从电磁场理论出发， 建立电磁热分析模型， 利用电路和网络理论， 研究电磁场量与热场量之间的关系，研究电路与系统中的电磁场-热场的广义网络分

12、析方法，为电路和系统设计奠定理论基础。 采用三维电磁场仿真结合电路网络理论，深入研究超高频数模电路的信号延时、畸变、失配、串扰、电磁泄漏与辐射、芯片混合集成的干扰和匹配等信号完整性问题和系统的电磁兼容问题，认识与理解这些问题产生的根源、 机理和表现规律， 为电路和系统设计优化奠定技术基础。深入研究超高频数模混合集成电路与系统的设计方法学，针对系统电、热与机械性能的稳定性与可靠性，提出优化设计的理论与方法，得到优化的系统架构和系统性能，建立电路、电磁场、热场一体化的设计平台。该科学问题是超高频、大功率化合物半导体器件研究到电路应用的纽带和核心。（二）主要研究内容我国在超高频、大功率化合物半导体器

13、件、电路研究领域具有较好的基础，但在超高频化合物半导体CMOS器件、太赫兹三端电子器件、 大功率毫米波器件、超高频化合物混合电路等方面， 无论是从异质结材料体系设计和生长、器件性能提升和新原理新功能器件电路研发， 还是器件模型和模拟平台的建立都还尚未成熟。围绕上述科学问题，本项目将重点开展以下几方面的研究工作：1、超高频、大功率化合物半导体器件方面如何充分挖掘化合物半导体材料的优势，实现超高频、大功率的化合物半导体器件是本项目研究的重点，主要开展三个方面的工作：（1）利用原子级调控名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - -

14、名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 31 页 - - - - - - - - - 技术指导新材料、 新结构的设计， 深入研究应力场中原子运动和结合机制，掌握缺陷的形成、 增殖和运动机制， 解决大失配异质结构的生长、以及应力场中的高掺杂问题，实现满足超高频、大功率器件研制所需的InP 和 GaN 基材料；（ 2）深入研究纳米尺度下化合物半导体器件非平衡载流子输运理论，化合物半导体材料表面态、缺陷、极化效应等对载流子输运、散射、捕获及能态跃迁等机理的影响，器件的等比例缩小原则等问题，指导高性能材料结构设计和新原理、高性能器件研制；（ 3）开展化合物半导体器件关键工艺研究，通过

15、“ 工艺集成创新 ” 开发出具有知识产权的化合物半导体器件工艺体系，研制出高性能的太赫兹三端电子器件、毫米波 GaN 功率器件和超高频化合物基CMOS 器件。研究内容具体如下：太赫兹三端电子器件针对化合物半导体结构中应变的引入，深入研究应变场中的InP基材料生长动力学，在应力场中原子的运动和结合机制，增强对原子的控制， 研究减小界面散射和体内杂质、缺陷散射的途径，提高材料特性；深入研究C原子不同替位机制，控制减小 C-C之间的结合，提高 p型掺杂的激活率，生长出满足太赫兹三端器件的外延材料。研究载流子在InP基HBT和HEMT 器件中复杂能带结构中的输运机理，应变效应和能带结构对超高频InP基

16、器件结构中载流子过冲效应影响，充分利用化合物半导体在能带方面的优越特性，突破太赫兹化合物半导体器件的结构设计难题，解决 InP基化合物半导体器件的超高频特性与击穿电压的关系。深入研究纳米尺度器件中载流子输运的尺寸限制效应，结合能带结构的研究， 解决提高最大电流和提高频率特性的方法。突破纳米尺度发射极、 栅极的制作工艺以及面向太赫兹器件的接触等关键工艺，建立太赫兹器件的表征方法以及外延生长动力学与材料的关联性。 结合理论研究， 从工艺和理论两个方面建立化合物半导体器件的等比例缩小规律，研制出具有自主知识产权的InP基太赫兹三端电子器件。毫米波 GaN 功率器件通过对毫米波 GaN HEMT 材料

17、物理（ GaN 基毫米波材料的生长动力学、异质结构中的缺陷行为和缺陷控制、极化效应和极化诱导能带工程、异质结构中2DEG 输运性质）、器件物理（ GaN 基毫米波器件的短沟道效应、强场下二维电子气输运机理、器件表面/界面物理特性、等比例缩小原则、尺寸效应）等理论和机理的深入研究，实现毫米波GaN HEMT 材料结构和器件结构设计；同时开展低损伤凹槽栅刻蚀机理、 技术以及损伤形成和抑制的机理研究，开展场板结构的各参数与器件电场分布、击穿特性、频率特性等内在联系与规律、0.15m 型栅、器件表面处理和钝化等关键科学问题和技术的研究，解决限制GaN 基毫米波功率器件的主要材料设计、 器件设计和工艺技

18、术等问题， 研制出拥有自主知识产权的 GaN基毫米波微电子材料， 建立 GaN 基毫米波器件和材料性能的完善的名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 31 页 - - - - - - - - - 表征方法；突破毫米波GaN 器件关键技术，开发出成套拥有自主知识产权的2英寸 GaN 基毫米波器件工艺流程，GaN 基毫米波 HEMT 器件的 fT100 GHz，Ka 波段输出功率密度达到510 W/mm。超高频化合物基 CMOS器件通过研究化合物半导体材料组分、应力应

19、变、 界面散射、 能带结构等对载流子输运规律的影响， 提出具有高电子迁移率、 高空穴迁移率特征的 n型与p型MOS器件沟道材料的解决方案。通过研究InP基含铟化合物半导体（例如InGaAs）与含锑的化合物半导体（例如InGaAsSb）的载流子输运规律，并采用应变工程提高载流子的迁移率，在 InP衬底上同时实现高迁移率CMOS器件材料。由于化合物半导体缺乏高质量的自然氧化层，寻找热力学稳定的高k栅介质材料、制备无费米能级钉扎的氧化物 /化合物半导体界面将是一个非常有挑战性的科学问题。通过研究化合物半导体表面态及钝化机理，探索热力学稳定的高k栅介质材料并解决其等效氧化层厚度表征问题， 解决金属栅功

20、函数的调制、 沟道迁移率的下降、高k栅介质的可靠性等相关问题。研究低电阻源漏结构、电场分布、短沟道效应与电极寄生效应对频率性能的影响，提出限制器件频率特性的关键因数。同时，建立有效的集成技术途径与解决方案。为发展具有我国自主知识产权的新一代超高频、低功耗、低电压工作的CMOS技术及其应用奠定基础。本方面重点围绕科学问题一和二展开，在超高频、大功率以及新器件的探索方面取得突破性进展， 实现超高频器件从吉赫兹到太赫兹、大功率器件从厘米波到毫米波的跨越以及化合物基CMOS原型器件的突破。2、器件物理与模型模拟方面器件物理和模型模拟对于器件物理机制和输运过程的理解、新型器件结构的设计和优化、 高性能器

21、件的研制都有着非常重要的指导作用，同时，准确的器件模型是集成电路设计的基础。 本项目主要开展两个方面的工作： （1）通过对化合物半导体材料和异质结构基本输运特性的研究，探索在高温、 高频、纳米尺度和强场等极端条件作用下载流子的行为规律，指导超高频、大功率化合物器件研制；通过研究影响器件性能的关键因素与物理作用机制，发展新型调控方法， 提出器件改进方案 （2）建立能够描述化合物半导体器件高频、大功率工作特性的模型，探索将全能带 Monte Carlo模拟器与全波求解器结合用来进行微波器件建模方法，建立起能够描述化合物半导体器件高频、大功率工作特性的下一代器件模型模拟平台。具体研究内容具体如下：器

22、件物理通过对化合物半导体材料和异质结构基本输运特性的研究，探索在高温、高频、纳米尺度和强场等极端条件作用下载流子的行为规律，重点分析： 载流子的能带占据特性与有效质量分布，电子的饱和漂移速度与速度过冲，热声子的激发、色散和对载流子的散射截面，载流子的局域化与去局域化，以及表、界面对名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 31 页 - - - - - - - - - 载流子的限制与散射作用等； 结合实际的器件结构、 器件工艺和测试结果， 分析载流子的共性行为规律对高

23、频大功率器件的输出功率、频率响应、 噪声谱、和可靠性等外在性能指标的具体影响和内在作用机制，研究在非理想状况下， 如：高密度结构缺陷、粗糙表界面、位相延迟、寄生负载和表面漏电等，基本器件物理模型的修改和优化； 在器件可靠性方面， 重点研究高频大功率器件的电接触物理问题，表、界面态对器件工作点的影响和钝化方法，器件沟道内的场分布与均匀化方案，以及器件的软硬击穿过程等；在以上物理机制和关联性的研究基础上，基于异质结和微纳尺度限制的设计理念，提出新器件结构的改进方案， 具体研究和发展：极化诱导、应变、维度和基本电磁学等调控手段，对器件工作模式进行优化，并指导新材料的设计与制备。模型模拟围绕量子效应的

24、模型、 模拟方法以及纳米尺度下载流子输运机理等关键科学问题；充分利用本课题组已建立起的载流子输运模型和模拟程序，把物理模型与器件模拟紧密结合起来， 互为补充，深入研究异质结构量子隧穿效应及微观统计引起的涨落等现象，采用Monte Carlo 模拟方法研究纳米尺度、飞秒量级下载流子输运规律，建立一套能够描述超高频、 纳米尺度化合物半导体器件的器件模型。同时结合中科院微电子所3mm 波段的在片综合测试工作， 进行 75 GHz-110 GHz的器件和电路的模型研究，建立起能够精确描述器件高频、大功率应用的模型，对于高频工作下衬底耦合导致的损耗、各种复杂的寄生现象、 非准静态效应以及自热效应导致的电

25、流退化等进行描述，对新器件的研制起到预测和指导作用。开展全波分析技术对微波晶体管建模方法学的探索，把波尔兹曼输运方程与电磁场数值计算方法结合， 建立起针对高频大功率微波器件的全波分析平台。为本项目的其它课题提供理论基础，为化合物半导体集成电路的发展提供EDA 工具。本方面重点围绕科学问题一、 二展开，通过对化合物半导体外延材料结构与器件特性的关联性以及器件物理的的深入研究，在超高频、大功率器件模型方面取得突破，为器件和电路实现跨越奠定基础。3、集成技术方面 : 电路和系统的应用是理论和器件突破的最终体现，而器件到电路和系统的关键在于信号传输机理与耦合机制的研究，具体体现在信号的完整性、 信号互

26、联和热效应等方面， 它们是器件到电路和系统的纽带。本项目主要开展三个方面的工作： （1）在太赫兹三端电子器件的基础上，通过解决器件模型、无源器件和测试等关键问题，研制 3mm波段的 InP 低相位 VCO和LNA ； （2）深入研究超高频、大功率化合物半导体电路以及模块集成中的电磁热相互作用机理，分析超高频数模混合电路和模块中新的物理现象和效应，研究电路中信号完整性和电磁干扰问题的产生机理、 表现规律以及对电路性能的影响，解决超高频大功率电路和系统设计的瓶颈问题。 （3）开展超高频直接数字频率综合器和毫米波大功率数字收发模名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -

27、 - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 31 页 - - - - - - - - - 块的研究， 解决信号完整性、 电磁兼容和热问题三大关键问题，实现本项目所研制的器件和电路在超高频数字收发模块中验证，推进我国毫米波系统的前瞻性探索。研究内容具体如下：毫米波集成电路通过对 InP基器件的深入研究， 利用发展的太赫兹器件制作3毫米频段的高性能电路。研究 InP基HBT 的1/f噪声的起源及控制方法，以及1/f噪声对相位噪声的影响。突破 InP基无源器件的制作工艺，发展减小损耗的无源器件设计、制作方法，建立准确的无源器件模型，并发展3毫米

28、电路的测试方法。研究变容二极管的特性，减小二极管噪声特性的影响，实现单片集成低相位VCO电路的设计方法。研究 InP基HEMT的噪声特性，开展在 3毫米波段降低噪声的设计方法研究，并进行有源、无源器件的集成共融性研究，实现3毫米频段的单片集成 LNA 。超高频化合物数模混合电路开展超高频化合物数模混合集成电路的工作机理研究，重点分析集成电路在超高频下存在的新的物理现象和效应，通过对三维电磁场仿真理论和电路网络理论的深入研究， 结合电路中的热效应影响， 建立电磁热一体化的分析方法；并在此基础上开展超高频化合物数模混合集成电路设计方法学研究，采用电磁场与电路相结合的方法， 深入研究电路中信号完整性

29、问题的产生机理、表现规律以及对电路性能的影响， 在电路拓扑、 数值优化、 电路布局和版图布线等设计过程中提出相应的解决办法， 实现高性能的超高频化合物数模混合电路设计，建立超高频数模电路的设计平台。 在上述设计平台和电磁热分析方法的基础上开展电路新结构的研究，通过设计包含双边沿触发逻辑电路单元、数模转换器、波形修正 ROM等基本单元电路在内的超高频直接数字频率综合器（DDS）来进行试验验证。超高频、大功率模块与系统研究超高频、大功率集成电路中的信号（电、磁、路、热）传输和耦合的本质与内在规律的机理， 重点分析超高频、 大功率收发系统电磁兼容性， 建立电磁模型，同时为全面表征电路和系统中电、磁、

30、热传输机制，运用电子学、热学原理，建立电、磁、路、热分析一体化模型，并提出超高频、大功率模块电路与热结构的设计方法。 开展系统多学科良性运作的研究。在本项目器件和电路研究的基础上，解决信号完整性、电磁兼容和热问题三大关键问题，构建超高频、大功率器件和电路的集成应用平台，研制出毫米波、 发射功率大于 30W的数字收发演示系统。本方面重点围绕科学问题二、 三展开，通过对化合物半导体器件物理以及高频、大功率条件下电磁热相互作用的深入研究，解决超高频数模混合电路的信号完整性以及超高频、 大功率系统应用中的电磁兼容性问题，研制出超高频、 大功率电路和演示系统，是实现化合物半导体理论和器件从研究到应用的关

31、键。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 31 页 - - - - - - - - - 二、预期目标（一）总体目标针对我国信息处理和国家安全的重大需求，充分发挥化合物半导体器件和电路在超高频、大功率方面的优势，并结合前期“973”项目的研究基础，通过对化合物半导体材料原子级调控与生长动力学、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律、超高频集成技术中信号传输机理与耦合机制等共性科学问题的深入研究，将新材料体系和新的功能结构、 集成技术及模型模拟等方面研究工作有机结合，多

32、层次、综合性地解决关键科学问题和技术瓶颈，从科学研究到技术创新形成综合解决方案， 取得一批自主知识产权和前沿性成果，研制出超高频、 大功率化合物半导体器件、电路和模块，同时造就一支具有国际水平的创新团队，构建超高频、大功率化合物半导体电子器件集成应用平台，建立毫米波、发射功率大于30W的数字收发演示系统，实现我国化合物半导体从器件研究到集成技术应用的突破，从吉赫兹到太赫兹微电子器件和集成电路的可持续发展和创新跨越。（二）五年预期目标：通过五年的深入研究，本项目预期取得以下重要进展和成果：1、研制出具有自主知识产权的创新性化合物半导体电子器件并攻克相关技术，实现我国从吉赫兹到太赫兹微电子器件和集

33、成电路的跨越，部分关键性成果可实现转化。分析沟道材料组分、应变、厚度与MOS 界面对沟道载流子迁移率的影响，在化合物半导体迁移率控制方面取得突破。研制成功截至频率大于100GHz，工作电压低于 1V 的增强型化合物半导体n 型与 p型 MOS 器件，探索化合物半导体CMOS 原型器件和电路；突破 InP 电子器件材料设计、生长和器件工艺，开发具有自主知识产权的新结构 InP 基太赫兹三端电子器件，实现化合物半导体器件从吉赫兹到太赫兹的跨越。在器件的基础上，研制出23 款毫米波（ 3mm）电路（VCO、LNA ） ，实现高端毫米波电路的突破；应用极化能带工程设计并生长出满足毫米波GaN 功率器件

34、和电路需求的 HEMT 材料：室温 2DEG 迁移率达到 2300cm2/ V s，2DEG 浓度（ns）与迁移率（ ） 的乘积 ns 21016/ V s。 突破毫米波 GaN 器件关键工艺，开发出拥有自主产权的GaN基毫米波器件和电路： fT100 GHz，输出功率密度达到 510 W/mm；开展超高频、大功率化合物半导体器件物理研究，提供可以用于超高频、大功率电路模拟的器件模型和模拟平台，探索以量子输运和电磁场分析为核心的化合物器件模拟方法；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - -

35、- - 第 9 页，共 31 页 - - - - - - - - - 解决化合物半导体超高频数模混合电路中信号完整性与模型等关键问题，研制出 2-3 种超高频数模混合原型电路：100GHz 超高频数字逻辑单元电路， 10GHz 直接数字频率合成器和数字模拟转换电路等；开展超高频、大功率集成技术中电、磁、热传输机理与耦合机制等科学问题研究，解决信号完整性、电磁兼容性和热模型等问题。与课题一到五及系统单位合作，建立超高频、大功率化合物半导体器件和电路集成应用演示平台。研制出8mm、发射功率大于30W 的数字收发系统，推进其实用化；同时，探索3mm 数字收发模块的体系构建。2、在关键基础科学问题的研

36、究基础上，在若干重要前沿领域力争作出有国际影响的创新工作：超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律；基于能带设计和应变工程的超高频化合物半导体CMOS 原型器件和电路；超高频化合物数模混合电路设计方法学和信号完整性分析。3、在国内外核心刊物上发表论文300 篇以上，其中 SCI 收录论文 150 篇以上，授权或受理发明专利80 项以上。4、形成具有自主知识产权的从材料到电路的超高频大功率化合物半导体器件与集成技术创新平台，造就一支具有国际水平的创新团队，包括1-2 名杰出青年基金获得者；培养硕士生30 名，博士生 50 名以上。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -

37、 - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 31 页 - - - - - - - - - 三、研究方案（一） 研究方案和技术途径本项目充分发挥化合物半导体材料优势，紧扣超高频、大功率的核心思想，通过对化合物半导体材料原子级调控与生长动力学、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律、超高频集成技术中信号传输机理与耦合机制等共性科学问题的深入研究，开展超高频化合物基 CMOS器件和电路研究、太赫兹三端电子器件和电路研究、毫米波 GaN功率器件和电路研究、超高频化合物数模混合电路研究、新结构器件物理与模型模拟和超高频、 大功率模块与

38、系统基础问题研究六个方面的工作，通过化合物半导体器件在理论、材料、器件、集成技术四个方面的突破，实现我国从吉赫兹到太赫兹微电子器件和集成电路的跨越。通过将对基础科学问题的深入探索与器件的应用研究紧密结合，使整个项目形成一个目标明确、 相互促进的有机整体， 从科学研究到技术创新形成综合解决方案，取得一批具有自主知识产权的、从材料到电路的化合物半导体创新成果，并形成一支具有国际影响的核心研究团队， 为我国超高频、 大功率微电子器件的创新发展奠定科学基础和技术支撑。具体研究方案见下图1。实现从吉赫兹到太赫兹的跨越和从器件到集成技术应用的突破材料生长与表征突破器件理论突破太赫兹三端电子器件突破系统集成

39、技术突破器件物理与关键工艺器件、电路和集成系统研究电路设计与系统集成技术基础理论研究化合物半导体材料生长动力学器件结构设计机理纳米尺度下载流子输运机理与行为规律超高频集成技术中信号传输机理与耦合机制超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究（中国科学院微电子所、半导体所、物理所、微系统所、清华大学、西安电子科技大学、南京大学、中电集团13 所）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 31 页 - - - - - - - - - 图1总项目研究方案在技术途径

40、上，将以前一个 973项目“ 新一代化合物半导体电子器件与电路研究(2002CB311900)” 的研究成果为基础，重点开展超高频、大功率化合物半导体新机理、 新材料、新器件及新工艺的创新， 注重把握国际上该领域的重大科技发展动向，抓住化合物半导体从吉赫兹跨越到太赫兹、从器件研究到集成技术应用这一重要发展阶段， 处理好总体技术路线可行性和创新性的关系，注重自主知识产权和创新平台的建立， 力求在新型材料、 新型结构功能器件、 新结构集成电路以及模型与模拟等方面探索出新的解决方案。具体技术途径如下：1、超高频大功率化合物半导体器件方面太赫兹三端电子器件拟采用气源分子束外延（GSMBE）技术进行In

41、AlAs/InGaAs HEMT 和InGaAs/ InP DHBT材料的生长。在 HEMT沟道中引入高 In组份的应变层来提高载流子的迁移率，通过在位监测的方法研究生长中的表面再构以及引入的应变对表面再构的影响， 利用多种表征技术研究材料的宏观特性与表面再构的关联性，并从热力学理论研究表面再构的形成与材料质量的关系，降低缺陷散射， 提高结构的材料特性， 通过生长中在位技术的监控，优化生长中的界面切换工艺，降低界面散射； C原子在 InGaAs材料中属两性原子，既可以占据III 族元素的位臵形成 n型材料，也可以占据 V族元素位臵形成 p型材料，高掺杂、低缺陷的 p型材料是提高HBT特性的关键

42、，研究 GSMBE生长中不同表面再构、不同扩散长度下C原子占位和结合机制，以及不同生长条件下的 H原子对 C的钝化机制，p型重掺杂中 C-C的间的结合机制，抑制 H钝化效应和减少 C-C结合，提高 InGaAs材料中 p型掺杂 C的激活率减小 C-C结合所形成的散射； 利用k.p方法研究应变对材料能带结构的影响，采用应变方法提高载流子的迁移率，通过调节材料组份改变 HBT发射极的能带结构，研究能带结构对载流子过冲效应的影响，利用Monte Carlo模拟等手段研究不同能带结构中载流子的输运特性，设计实现无导带尖峰的集电极结构，同时兼顾击穿特性解决化合物半导体超高频与击穿特性间的矛盾；研究纳米尺

43、寸的晶体管中的尺寸限制效应、 HEMT器件中的短沟道效应、 HBT器件中的载流子在发射极的集边效应等， 解决提高电流密度和提高频率特性的方法；采用具有专利的平坦化技术工艺流程，工艺具有较高的成品率并可进行纳米尺度电极的连接，HBT发射极采用发展的腐蚀工艺并结合干法刻蚀工艺缩小发射极尺寸，基极采用自对准方法， 接触采用研制成功的低接触电阻技术，探索减小集电极电容的工艺方法，提高器件特性； HEMT 工艺将在发展纳米栅的基础上，从材料和工艺上研究减小欧姆接触电阻的方法， 在获得稳定工艺的基础上研究材料与器件特性的关联性问题。结合纳米尺寸化合物半导体器件物理与器件特性的联系，建立化合物半导体的等比例

44、缩小规律，为器件的进一步发展提供理论和实验上的指导。毫米波 GaN 功率器件名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 31 页 - - - - - - - - - 研制高性能的毫米波 GaN功率器件的关键在于短沟道效应、电流崩塌效应的抑制和高频功率性能的提高，这需要在X波段GaN功率器件研制的基础上，从理论、材料、结构、工艺多方面入手。主要包括：通过能带工程优化和载流子输运机理分析，拟采用InGaN或AlGaN 背势垒结构和 AlN 插入层形成双异质结GaN HE

45、MT结构，实现二维电子气的浓度、迁移率和限域特性的提高，从而抑制短沟道效应和提高器件的电流输出能力；在器件结构方面，拟采用0.150.25um栅长和密集背孔技术 （降低器件的寄生电感） 来提高器件的频率特性， 采用凹栅槽结构提高器件的跨导特性和抑制短沟道效应，采用专利技术的双层场板结构（ 栅+源场板）提高击穿电压和抑制电流崩塌效应。在材料生长方面，通过原子级调控和生长动力学科学问题的研究，重点解决 GaN材料中的缺陷和表面态问题，生长出满足毫米波功率器件需要的双异质结GaN HEMT 结构材料；在功率工艺方面，拟采用电子束两次直写技术实现0.150.25um 栅、采用锗牺牲层来减少栅电容提高器

46、件的频率、零偏压的电感耦合等离子体（ICP）刻蚀实现低损伤凹栅槽、SiC密集背孔器件的寄生电感等等，同时，注重自主知识产权建立，开发出毫米波 GaN功率器件的理论、材料、器件工艺成套流程。超高频化合物基 CMOS器件由于InP基含铟化合物半导体材料（例如InGaAs）具有高电子迁移率，费米能级靠近导带，适合作为 n型沟道材料。与之对应， InP基含锑化合物半导体材料（例如 InGaAsSb）具有高空穴迁移率，费米能级靠近价带，适合作为p型沟道材料。采用先进的分子束外延MBE在InP衬底上生长含铟与含锑沟道材料的多层结构，改变材料组份引入应力， 从理论和实验上研究应力对载流子（包括电子和空穴）有

47、效质量的影响， 达到利用应变工程提高电子和空穴迁移率的目的，以满足高性能化合物半导体 CMOS技术的要求；采用高低温生长、超晶格过滤缺陷、中断生长等技术来抑制缺陷的产生和攀移、界面的散射和合金无序的散射， 提高外延材料的晶体质量和界面的平整度。采用低温生长、原位退火、以及合理的V族分压控制掺杂剂在材料中的原子取代和占位过程，实现有效的掺杂，提高激活率，使得电离杂质散射、中性杂质散射减小。采用原子层沉积（ALD ）技术在沟道材料表面生长 Al2O3、HfO2、稀土氧化物等高 k栅介质材料，并且在 MOS界面处引入控制层（例如含铝的势垒层、 低界面态密度的化学钝化层等）来实现无费米能级钉扎的 MO

48、S界面，解决高 k介质材料的等效氧化层厚度表征问题，研制成功热稳定的新型高 k栅介质材料。在深入研究纳米尺度量子隧穿效应、载流子的弹道输运及微观统计引起的涨落等现象的基础上，建立一套能够描述纳米尺度化合物半导体 MOS器件的物理模型。采用 Hydrodynamic与Monte Carlo模拟方法研究纳米尺度、飞秒量级下载流子输运规律， 利用异质结能带工程和杂质工程优化MOS器件结构与性能，模拟MOS器件的高频寄生效应，为超高频低功耗MOS器件设计提供理论指导。 在器件制造方面， 将采用电子束直写曝光技术、临近效应修正名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - -

49、- - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 31 页 - - - - - - - - - 技术以及等离子刻蚀技术来实现亚100纳米栅电极的制作，并开展自对准低电阻源漏欧姆接触及 CMOS集成技术的研究。通过研制CMOS环形振荡电路来测试化合物半导体 CMOS技术在速度与功耗方面的潜力。2、器件物理与模型模拟方面器件物理器件物理研究的技术路线是采用材料分析、器件测试和物理解析相结合的方法开展探索性研究。 利用微结构分析、 光学辅助测量和基本电学测试等物理分析手段，完成对外延材料中的载流子与缺陷分布、缺陷电性和表界面特性的综合分析。设计并制备特殊

50、的电学测试结构，利用磁阻、 变温和超短脉冲等电学测试手段，模拟超高频大功率器件中载流子的极端输运环境，分析化合物半导体中载流子的散射机制、 突变场响应关系和势阱中的子带占据与跃迁规律，对原有的载流子输运模型进行系统修改。 对相应的器件进行综合测试， 包括 DC、大小信号 RF和应力测量， 建立特定器件性能与材料特性的对应关系，重点研究不同类型缺陷对器件性能的具体影响与作用机制，器件性能的弱化起源， 以及器件微结构特征对载流子本征输运规律的影响； 对载流子的输运模型进行进一步修改，使其适用于具体的器件应用环境。在器件的工作机理方面，通过对比不同结构(如：栅宽、沟道长度、势垒厚度、场板结构和表面钝