在超高頻、超強場、納米尺度下，主導器件工作的基本原理將逐漸由經(jīng)典物理過渡到量子力學。通過深入研究納米尺度下化合物半導體器件非平衡載流子輸運理論，理解影響超高頻器件速度的關鍵因素究竟是載流子的飽和速度還是速度過沖以及制約載流子輸運速度的因素是什么，這一問題的解決將為太赫茲新器件提供理論指導和依據(jù)，使新器件的創(chuàng)新乃至突破有據(jù)可依；深入研究異質結構量子隧穿效應、載流子的彈道輸運及微觀統(tǒng)計引起的漲落等現(xiàn)象，采用MonteCarlo等模擬方法研究納米尺度、飛秒量級下載流子輸運規(guī)律，建立一套能夠描述超高頻、納米尺度化合物半導體器件的物理模型；深入研究超強場（熱場、電場）下異質結構非平衡態(tài)條件下2DEG的輸運行為，通過改變磁場強度、溫度、柵壓、光輻照等動態(tài)調制，揭示子帶結構、子帶占據(jù)和各種散射機制在非平衡態(tài)下、以及從非平衡態(tài)到平衡態(tài)轉變過程中的變化規(guī)律，了解影響2DEG輸運特性的各種物理過程。深入研究化合物半導體材料表面態(tài)、缺陷、極化效應等對載流子輸運、散射、捕獲及能態(tài)躍遷等機理的影響，指導高性能材料生長和器件研制。

4.化合物半導體器件與集成技術中電、磁、熱傳輸機理與耦合機制

隨著電路和系統(tǒng)工作頻率的提高，特別是進入毫米波（30-300GHz）波段，電磁波波長與器件和系統(tǒng)的幾何尺寸已經(jīng)可以比擬，電磁波在傳輸過程中的相位滯后、趨膚效應、輻射效應等都不能忽略，相應的集成電路與系統(tǒng)的電特性分析與設計的基礎是電磁場理論和傳輸線理論。信號傳輸采用微帶線和共面波導形式，一方面其電磁場傳播模式是具有色散效應的準TEM波，另一方面在復雜多通道的電路和系統(tǒng)中存在有通道間耦合，這些都將導致產(chǎn)生信號的畸變、信號間串擾等信號完整性問題。同時，由于集成度和功率的提高，電磁耦合和電磁輻射導致的電磁兼容性問題也愈加突出，已成為系統(tǒng)性能進一步提高的制約性因素。電路與系統(tǒng)間的熱場分布與電磁場分布通過材料與結構的電特性和物理特性相互關聯(lián)、相互作用，使得電路與系統(tǒng)的電性能和可靠性受到熱效應的嚴重影響。

在化合物半導體器件與集成技術中，主導信號傳輸?shù)幕驹韺⒅饾u由電路理論延伸到電路、電磁場、熱場一體化理論。通過深入研究電路和系統(tǒng)中電磁場、熱場的傳輸機理與耦合機制，從電磁場理論出發(fā)，建立電磁熱分析模型，利用電路和網(wǎng)絡理論，研究電磁場量與熱場量之間的關系，研究電路與系統(tǒng)中的電磁場-熱場的廣義網(wǎng)絡分析方法，為電路和系統(tǒng)設計奠定理論基礎。采用三維電磁場仿真結合電路網(wǎng)絡理論，深入研究超高頻數(shù)模電路的信號延時、畸變、失配、串擾、電磁泄漏與輻射、芯片混合集成的干擾和匹配等信號完整性問題和系統(tǒng)的電磁兼容問題，認識與理解這些問題產(chǎn)生的根源、機理和表現(xiàn)規(guī)律，為電路和系統(tǒng)設計優(yōu)化奠定技術基礎。

三、化合物半導體的未來趨勢

化合物半導體材料和器件經(jīng)過半個世紀的發(fā)展，特別是近二十年的突飛猛進，通過發(fā)揮化合物半導體材料的優(yōu)良特性，在高頻、大功率、高效率等方面與硅基集成電路形成互補，已經(jīng)廣泛地應用于信息社會的各個領域，如無線通信、電力電子、光纖通信、國防科技等等。近幾年，隨著材料生長、器件工藝、電路集成等技術不斷發(fā)展，以及新結構、新原理等不斷突破，化合物半導體領域未來發(fā)展趨勢呈現(xiàn)四個主要方向：

（一）充分挖掘材料的優(yōu)勢，引領信息器件頻率、功率、效率的發(fā)展方向

作為第二代化合物半導體GaAs，自出現(xiàn)以后引起了極大的重視，在光電子和微電子技術方面得到了飛速的發(fā)展。鑒于其遷移率遠高于第一代半導體，且異質結構可以進行能帶剪裁，使其在微電子領域倍受重視。美國上世紀80年代中期啟動了MIMIC計劃，充分挖掘GaAs材料在微電子領域的應用，經(jīng)過多年的研究，GaAs材料在集成電路的應用方面，特別是射頻和微波領域，獲得了極大的成功，廣泛地應用于各種軍用和民用系統(tǒng)之中。隨著InP材料的成熟和發(fā)展，其豐富的異質結構和極高的載流子遷移率，使其在更高頻率領域的應用不斷推進和發(fā)展。美國的MAFET計劃，利用InP材料豐富的材料特性和極高的遷移率，將MMIC電路的頻率推進到100GHz以上。其后實施的TFAST計劃，則將InP材料應用在超高速電路領域，到項目結束時InP基數(shù)字電路的工作頻率提高到10GHz以上，MMIC電路的頻率突破300GHz，顯示了InP材料在高頻領域應用的優(yōu)勢。受此鼓舞，美國啟動了THz電子學研究計劃，計劃充分挖掘InP基材料在高頻領域的優(yōu)勢，將電路的工作頻率推進到太赫茲領域。在今后相當長的一段時間里，具有優(yōu)異特性的InP基材料和電路將成為研究的熱點。

GaN和SiC作為第三代半導體材料，具有非常高的禁帶寬度和功率處理能力，在功率半導體領域發(fā)揮了非常重要的作用。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(fā)展。采用GaN基異質材料和極化效應，可以得到非常高的載流子面密度，提高器件的功率密度。充分挖掘GaN材料的特性，現(xiàn)有的GaN微波電路的工作頻率已經(jīng)進入到W波段，其功率密度遠遠超過其他半導體材料，并有向更高頻率不斷發(fā)展的趨勢。

SiC材料具有大的禁帶寬度、高飽和電子漂移速度、高擊穿電場強度、高熱導率、低介電常數(shù)和抗輻射能力強等優(yōu)良的物理化學特性和電學特性，在高溫、大功率、抗輻射等應用場合是理想的半導體材料之一。從現(xiàn)有的研究結果來看，SiC電力電子器件的頻率高、開關損耗小、效率高。美國和日本的半導體公司紛紛投入巨資進行SiC電力電子器件的研發(fā)。Cree公司的SiCSBD的開關頻率從150kHz提高到500kHz，開關損耗極小，適用于頻率極高的電源產(chǎn)品，如電信部門的高檔PC及服務器電源；開發(fā)10kV/50A的PiN二極管和10kV的SiCMOSFET的市場目標是10kV與110A的模塊，可用于海軍艦艇的電氣設備、效率更高和切換更快的電網(wǎng)系統(tǒng)，以及電力設備的變換器件，其SiCMOSFET更關注于混合燃料電動車輛的電源與太陽能模塊。此外，日本半導體廠商也陸續(xù)投入SiCIC量產(chǎn)，F(xiàn)ujiElectricHoldings評估在子公司松本工廠生產(chǎn)SiC半導體器件，該公司預計2011年度開始量產(chǎn)；三菱電機預計2011年度在福岡制作所設置采用4寸晶圓之試產(chǎn)線，投入量產(chǎn)，產(chǎn)能為每月3千片。Toshiba則以2013年正式投產(chǎn)為目標，在川崎市的研發(fā)基地導入試產(chǎn)線，將運用于自家生產(chǎn)的鐵路相關設備上。充分挖掘SiC材料的優(yōu)勢，開發(fā)新的工藝，實現(xiàn)高效的電力電子器件將是今后發(fā)展的重點和研究的熱點。

（二）高遷移率化合物半導體材料：延展摩爾定律的新動力

在過去的四十多年中，以硅CMOS技術為基礎的集成電路技術遵循“摩爾定律”通過縮小器件的特征尺寸來提高芯片的工作速度、增加集成度以及降低成本，集成電路的特征尺寸由微米尺度進化到納米尺度，取得了巨大的經(jīng)濟效益與科學技術的重大進步，被譽為人類歷史上發(fā)展最快的技術之一。然而，隨著集成電路技術發(fā)展到22納米技術節(jié)點及以下時，硅集成電路技術在速度、功耗、集成度、可靠性等方面將受到一系列基本物理問題和工藝技術問題的限制，并且昂貴的生產(chǎn)線建設和制造成本使集成電路產(chǎn)業(yè)面臨巨大的投資風險，傳統(tǒng)的硅CMOS技術采用“縮小尺寸”來實現(xiàn)更小、更快、更廉價的邏輯與存儲器件的發(fā)展模式已經(jīng)難以持續(xù)。因此，ITRS清楚地指出，“后22納米”CMOS技術將采用全新的材料體系、器件結構和集成技術，集成電路技術將在“后22納米”時代面臨重大技術跨越及轉型。

III-V族化合物半導體（尤其是GaAs、InP、InAs、InSb等化合物半導體）的電子遷移率大約是硅的4-60倍，在低場和強場下具有優(yōu)異的電子輸運性能，并且可以靈活地應用異質結能帶工程和雜質工程同時對器件的性能進行裁剪，被譽為新一代MOS器件的理想溝道材料。為了應對集成電路技術所面臨的嚴峻挑戰(zhàn),采用與硅工藝兼容的高遷移率III-V族化合物半導體材料替代應變硅溝道，以大幅度提高邏輯電路的開關速度并實現(xiàn)極低功耗工作的研究已經(jīng)發(fā)展成為近期全球微電子領域的前沿和熱點。美國、歐洲、日本等各主要發(fā)達國家都在加大相關研究的投入力度，各半導體公司如Intel、IBM、TSMC、Freescale等都在投入相當?shù)娜肆臀锪﹂_展高遷移率CMOS技術的研究，力圖在新一輪的技術競爭中再次引領全球集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2008年，歐盟委員會投資1500萬歐元（約合1.4億人民幣）開展“DUALLOGIC”項目研究，以歐洲微電子研究中心（IMEC）為研發(fā)平臺，聯(lián)合IBM、AIXTRON、意法半導體（STMicroelectronics）、恩智浦半導體（NXPSemiconductor）等9家單位，對高遷移率III-V族化合物半導體材料應用于“后22納米”高性能CMOS邏輯電路進行技術攻關，被譽為歐盟CMOS研究的“旗艦”項目。