我國GaN功率器件和電路的研究起步較早，材料和器件的研究取得了突破性進展：3英寸半絕緣4H-SiC單晶電阻率大于108·cm，微管缺陷密度低于30個／cm2，并實現了小批量供貨；SiC襯底HEMT結構材料的室溫方塊電阻小于270?/?，室溫2DEG遷移率和面密度乘積達到2.4x1016/Vs，藍寶石襯底HEMT結構材料的室溫2DEG遷移率大于2180cm2/V.s，室溫2DEG濃度與遷移率的乘積大于2.3?1016/V.s，室溫方塊電阻小于280?/?，達到國際先進水平。在器件和電路方面，國內建立了四條GaN功率器件研制線，研制出覆蓋C-Ka波段系列內匹配器件和電路。X波段和Ka波段器件輸出功率密度分別達17W/mm和3W/mm以上；8-12GHzGaNMMIC脈沖輸出功率20W，功率附加效率為32%；15-17GHzGaNMMIC脈沖輸出功率17W，功率附加效率為27%；Ku波段內匹配器件脈沖輸出功率20W，功率附加效率大于25%；Ka波段MMIC脈沖輸出功率達到3W，W波段器件fT大于174GHz、fmax為215GHz。上述器件和電路的技術指標達到國際先進水平，但在可靠性方面尚存在一定的差距，目前處于樣品階段。2011年，我國重大專項啟動“中國寬禁帶半導體推進技術”，重點開展3英寸GaN器件工藝線建設和器件可靠性推進工程，最終實現“用的上、用的起”GaN功率器件和電路，實現與國際的同步發展和競爭。

4.SiC材料和器件發展現狀

二十一世紀初，美國國防先進研究計劃局（DARPA）啟動寬禁帶半導體技術計劃（WBGSTI），極大推動了寬禁帶半導體技術的發展。

在SiC單晶材料方面，主流的SiC晶片是3-4英寸，6英寸SiC晶片將很快進入市場。美國Cree公司作為全球SiC晶片行業的先行者，在2007年就可提供商用無微管缺陷的100mm（4英寸）SiC襯底片；2010年8月展示了其新成果，150mm（6英寸）的SiC襯底片，每平方厘米微管密度小于10個。美國DowCorning公司、II-V公司，日本新日鐵和已被日本羅姆公司收購的德國SiCystal公司等都可提供直徑4英寸的SiC襯底片。日本新日鐵計劃2011年內向客戶提供6英寸SiC晶片樣品，預計2015年前后量產。

在SiC功率器件方面，基于4HSiC材料的肖特基二極管（SBD）系列、JFET，以及MOSFETs晶體管已經實現量產，代表的公司主要有美國的Cree、SemiSouth、GE，德國的英飛凌、SiCED，日本的ROHM、三菱、日立、電裝（DENSO）等公司。目前，商業化的SiC二極管主要是SBD，已經系列產品化，阻斷電壓范圍600V~1700V，電流1A~50A。主要生產廠商有：美國Cree（最大額定電流50A，反向阻斷電壓1700V）、美國SemiSouth（最大額定電流30A，反向阻斷電壓1200V）、和德國Infineon（最大額定電流15A，反向阻斷電壓1200V），以及日本Rohm（最大額定電流10A，反向阻斷電壓600V）等公司。商業化的SiC晶體管包括SemiSouth公司推出的SiCJFET（阻斷電壓為1200V和1700V，電流為3A~30A）以及TranSiC公司推出的BJT器件（阻斷電壓為1200V和1700V，電流從6A~20A）。另外，美國Cree公司、日本Rohm公司已經可以量產600~1200VSiCDMOS，并開始提供功率模塊樣品。

SiC肖特基二極管的應用可大幅降低開關損耗并提高開關頻率，廣泛用于如空調、數碼產品DC、DV、MP4、PC、工業控制服務器等領域。在航空航天等高新技術產業，SiC器件的應用能夠有效減小系統的體積，同時具有優異的抗輻射性能。SiC電力電子器件市場從2010年開始擴展，可望出現60~70%以上的年增長率，并在2015年達到8億美元的市場規模。其中，占主要市場份額的SiC電力電子器件形式和應用領域依次為混合動力車專用MOSFET、SBD器件和功率因數校正電路用SBD器件。

寬禁帶半導體SiC材料除了用于制作高頻和功率器件外，滿足軍事、航天應用中高溫、高腐蝕環境需求的功率器件、抗輻照器件、氣體傳感器、高溫傳感器等也是SiC器件發展的一個重要領域。

（三）關注化合物半導體的一些難題

在信息社會，人們對信息大容量傳輸和高速處理、獲取的提出越來越高的要求，使得微電子科學與技術面臨許多嚴峻的挑戰。如何充分發揮化合物半導體器件在超高頻、大功率方面的優勢，從而實現微電子器件和集成電路從吉赫茲到太赫茲的跨越，解決信息大容量傳輸和高速處理、獲取的難題，依然存在若干關鍵問題：

1.化合物半導體材料原子級調控與生長動力學

化合物半導體材料與Si材料最大的區別在于化合物半導體是由二元、三元、四元系材料組成。結構材料是借助先進的MBE和MOCVD設備來實現的，原子級調控是利用不同種類的原子在外延過程中的結合能、遷移率等的不同，借助高溫襯底提供的激活能，控制原子占據不同的晶格位置，在表面上遷移并結晶的動力學過程，使外延材料呈現出多樣的晶體結構和物理特性，如不同原子層形成異質結構產生量子限制效應、不同大小原子構成應變材料產生應變效應和局域化效應以及同種原子占據不同的晶格位置產生不同的摻雜類型等。利用原子級調控實現材料的量子限制效應、極化效應、應變效應、局域化效應和摻雜效應完成能帶剪裁和材料結構設計。如在傳統AlGaN/GaNHEMT材料異質結界面插入2～3個原子層厚的AlN，可以改變材料的能帶結構，更好地限制二維電子氣，并顯著降低對載流子的合金散射，提高材料中二維電子氣的輸運特性，能夠實現對新材料、新結構設計的理論指導。因此，通過對化合物半導體原子級調控和生長動力學的研究是實現低缺陷、高性能化合物材料的關鍵問題。

通過深入研究化合物半導體材料原子的排列導致能帶結構的變化，利用量子效應、極化效應、應變效應、能帶工程設計化合物半導體的材料結構，減小載流子的有效質量，為實現超高頻、太赫茲和毫米波大功率器件的材料結構設計提供理論指導；深入開展材料結構與器件宏觀性能的關聯性研究，通過材料結構設計提高二維電子氣濃度和遷移率、減少導帶尖峰、抑制電流崩塌和短溝效應，提高器件的性能；深入研究化合物半導體表面再構形成的機理，考慮半導體的表面能帶彎曲對生長過程中原子的運動、結合機制影響，建立包含固相、氣相和表面相的熱力學模型，形成完善生長理論，解決同質和異質界面生長的動力學問題；深入研究應力場中原子運動和結合機制，掌握缺陷的形成、增殖和運動機制，解決大失配異質結構的生長、以及應力場中的高摻雜問題。

2.大尺寸、大失配硅基化合物半導體材料生長

硅基上實現高性能的化合物半導體材料一直是研究人員和工業界追求的目標，一方面，該技術可以大大降低化合物器件的成本，另一方面，可以充分利用硅基材料與化合物材料的結合實現多功能器件和電路的融合，如光電一體、高壓低壓一體、數字微波融合等等，將未來系統設計帶來巨大的變革。因此，大尺寸、大失配硅基化合物半導體材料生長是未來化合物半導體跨越式發展的關鍵。但實現大尺寸、大失配硅基化合物半導體材料生長面臨著諸多挑戰和問題：一是大失配問題，硅襯底與III-V族半導體材料之間存在三種主要“失配”，即晶格常數失配、熱膨脹系數失配、晶體結構失配。晶格常數失配在異質外延過程中將引入大量的位錯與缺陷；熱膨脹系數差異將導致熱失配，在高溫生長后的降溫過程中產生熱應力，從而使外延層的缺陷密度增加甚至產生裂紋；晶體結構失配往往導致反向疇問題。二是極性問題，由于Si原子間形成的健是純共價鍵屬非極性半導體，而III-V族半導體材料（如GaN）原子間是極性鍵屬極性半導體。對于極性/非極性異質結界面有許多物理性質不同于傳統異質結器件，所以界面原子、電子結構、晶格失配、界面電荷和偶極矩、帶階、輸運特性等都會有很大的不同，這也是研究Si襯底III-V材料和器件所必須認識到的問題；三是硅襯底上Si原子的擴散，在高溫生長過程中Si原子的擴散加劇，導致外延層中會含有一定量的Si原子，這些Si原子易于與生長氣氛中的氨氣發生反應，而在襯底表面形成非晶態SixNy薄膜，降低外延層的晶體質量。

通過研究大失配材料體系外延生長過程中位錯與缺陷的形成機理與行為規律，探索外延材料質量與生長動力學之間的內在聯系，研究襯底與外延層之間的介質層對初始成核的影響，解決Si與III-V族材料晶體結構不同導致的反向籌的問題，優化緩沖層技術與柔性襯底技術的結構設計、材料組分、生長條件、生長模式，降低外延層中的位錯和缺陷密度，采用應力補償與低溫外延技術等方式抑制裂紋的形成與擴展，借助中斷生長技術、MEE技術實現對界面的控制，從而獲得低缺陷密度、高遷移率、穩定可靠的硅襯底上III-V族半導體材料。

3.超高頻、超強場、納米尺度下載流子輸運機理與行為規律

化合物半導體器件由于材料自身特性，如電子遷移率高、二維電子氣濃度高、擊穿場強高、飽和漂移速度大等特點，非常適合于超高頻、大功率器件和電路的研究，特別是在利用化合物半導體實現超高頻CMOS器件、InP基實現太赫茲器件、GaN基實現毫米波大功率等方面極具潛力。但隨著器件頻率從吉赫茲跨越到太赫茲，器件特征尺寸（FET器件溝道尺寸、HBT器件縱向結構尺寸）縮小到納米尺度后，器件短溝效應、量子效應、強場效應的影響日趨嚴重，嚴重地制約器件性能的提高，如在HEMT器件中，溝道中的電場不斷增加，強場下器件短溝效應、量子隧穿效應惡化器件性能，而載流子微觀統計引起的漲落等量子效應現象對器件性能的影響有待于進一步深入研究；在HBT器件中，隨電流密度的提高，可動載流子會對集電極的電場產生屏蔽作用，使載流子的運動速度降低，使高頻特性在高電流下退化；這些宏觀特性與化合物半導體器件在超高頻、超強場、納米尺度下載流子輸運機理與行為規律密切相關。因此，充分理解和挖掘器件在超高頻、超強場、納米尺度下載流子輸運機理與行為規律是實現新原理、高性能化合物器件的關鍵問題。