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中科院微電子所劉新宇:化合物半導(dǎo)體電子器件研究與進(jìn)展

2012-12-05 來源:中國半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì) 字號(hào):

在超高頻、超強(qiáng)場(chǎng)、納米尺度下,主導(dǎo)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(xué)。通過深入研究納米尺度下化合物半導(dǎo)體器件非平衡載流子輸運(yùn)理論,理解影響超高頻器件速度的關(guān)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(yùn)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(dǎo)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(zhì)結(jié)構(gòu)量子隧穿效應(yīng)、載流子的彈道輸運(yùn)及微觀統(tǒng)計(jì)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(jí)下載流子輸運(yùn)規(guī)律,建立一套能夠描述超高頻、納米尺度化合物半導(dǎo)體器件的物理模型;深入研究超強(qiáng)場(chǎng)(熱場(chǎng)、電場(chǎng))下異質(zhì)結(jié)構(gòu)非平衡態(tài)條件下2DEG的輸運(yùn)行為,通過改變磁場(chǎng)強(qiáng)度、溫度、柵壓、光輻照等動(dòng)態(tài)調(diào)制,揭示子帶結(jié)構(gòu)、子帶占據(jù)和各種散射機(jī)制在非平衡態(tài)下、以及從非平衡態(tài)到平衡態(tài)轉(zhuǎn)變過程中的變化規(guī)律,了解影響2DEG輸運(yùn)特性的各種物理過程。深入研究化合物半導(dǎo)體材料表面態(tài)、缺陷、極化效應(yīng)等對(duì)載流子輸運(yùn)、散射、捕獲及能態(tài)躍遷等機(jī)理的影響,指導(dǎo)高性能材料生長(zhǎng)和器件研制。

4.化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)中電、磁、熱傳輸機(jī)理與耦合機(jī)制

隨著電路和系統(tǒng)工作頻率的提高,特別是進(jìn)入毫米波(30-300GHz)波段,電磁波波長(zhǎng)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(yīng)、輻射效應(yīng)等都不能忽略,相應(yīng)的集成電路與系統(tǒng)的電特性分析與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)是電磁場(chǎng)理論和傳輸線理論。信號(hào)傳輸采用微帶線和共面波導(dǎo)形式,一方面其電磁場(chǎng)傳播模式是具有色散效應(yīng)的準(zhǔn)TEM波,另一方面在復(fù)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(dǎo)致產(chǎn)生信號(hào)的畸變、信號(hào)間串?dāng)_等信號(hào)完整性問題。同時(shí),由于集成度和功率的提高,電磁耦合和電磁輻射導(dǎo)致的電磁兼容性問題也愈加突出,已成為系統(tǒng)性能進(jìn)一步提高的制約性因素。電路與系統(tǒng)間的熱場(chǎng)分布與電磁場(chǎng)分布通過材料與結(jié)構(gòu)的電特性和物理特性相互關(guān)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(yīng)的嚴(yán)重影響。

在化合物半導(dǎo)體器件與集成技術(shù)中,主導(dǎo)信號(hào)傳輸?shù)幕驹韺⒅饾u由電路理論延伸到電路、電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)一體化理論。通過深入研究電路和系統(tǒng)中電磁場(chǎng)、熱場(chǎng)的傳輸機(jī)理與耦合機(jī)制,從電磁場(chǎng)理論出發(fā),建立電磁熱分析模型,利用電路和網(wǎng)絡(luò)理論,研究電磁場(chǎng)量與熱場(chǎng)量之間的關(guān)系,研究電路與系統(tǒng)中的電磁場(chǎng)-熱場(chǎng)的廣義網(wǎng)絡(luò)分析方法,為電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)。采用三維電磁場(chǎng)仿真結(jié)合電路網(wǎng)絡(luò)理論,深入研究超高頻數(shù)模電路的信號(hào)延時(shí)、畸變、失配、串?dāng)_、電磁泄漏與輻射、芯片混合集成的干擾和匹配等信號(hào)完整性問題和系統(tǒng)的電磁兼容問題,認(rèn)識(shí)與理解這些問題產(chǎn)生的根源、機(jī)理和表現(xiàn)規(guī)律,為電路和系統(tǒng)設(shè)計(jì)優(yōu)化奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

三、化合物半導(dǎo)體的未來趨勢(shì)

化合物半導(dǎo)體材料和器件經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展,特別是近二十年的突飛猛進(jìn),通過發(fā)揮化合物半導(dǎo)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(bǔ),已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于信息社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)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(zhǎng)、器件工藝、電路集成等技術(shù)不斷發(fā)展,以及新結(jié)構(gòu)、新原理等不斷突破,化合物半導(dǎo)體領(lǐng)域未來發(fā)展趨勢(shì)呈現(xiàn)四個(gè)主要方向:

(一)充分挖掘材料的優(yōu)勢(shì),引領(lǐng)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(dǎo)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(shù)方面得到了飛速的發(fā)展。鑒于其遷移率遠(yuǎn)高于第一代半導(dǎo)體,且異質(zhì)結(jié)構(gòu)可以進(jìn)行能帶剪裁,使其在微電子領(lǐng)域倍受重視。美國上世紀(jì)80年代中期啟動(dòng)了MIMIC計(jì)劃,充分挖掘GaAs材料在微電子領(lǐng)域的應(yīng)用,經(jīng)過多年的研究,GaAs材料在集成電路的應(yīng)用方面,特別是射頻和微波領(lǐng)域,獲得了極大的成功,廣泛地應(yīng)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(zhì)結(jié)構(gòu)和極高的載流子遷移率,使其在更高頻率領(lǐng)域的應(yīng)用不斷推進(jìn)和發(fā)展。美國的MAFET計(jì)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(jìn)到100GHz以上。其后實(shí)施的TFAST計(jì)劃,則將InP材料應(yīng)用在超高速電路領(lǐng)域,到項(xiàng)目結(jié)束時(shí)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(lǐng)域應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)。受此鼓舞,美國啟動(dòng)了THz電子學(xué)研究計(jì)劃,計(jì)劃充分挖掘InP基材料在高頻領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì),將電路的工作頻率推進(jìn)到太赫茲領(lǐng)域。在今后相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)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(diǎn)。

GaN和SiC作為第三代半導(dǎo)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(dǎo)體領(lǐng)域發(fā)揮了非常重要的作用。美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局(DARPA)啟動(dòng)寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃(WBGSTI),極大推動(dòng)了寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。采用GaN基異質(zhì)材料和極化效應(yīng),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(jìn)入到W波段,其功率密度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過其他半導(dǎo)體材料,并有向更高頻率不斷發(fā)展的趨勢(shì)。

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(chǎng)強(qiáng)度、高熱導(dǎo)率、低介電常數(shù)和抗輻射能力強(qiáng)等優(yōu)良的物理化學(xué)特性和電學(xué)特性,在高溫、大功率、抗輻射等應(yīng)用場(chǎng)合是理想的半導(dǎo)體材料之一。從現(xiàn)有的研究結(jié)果來看,SiC電力電子器件的頻率高、開關(guān)損耗小、效率高。美國和日本的半導(dǎo)體公司紛紛投入巨資進(jìn)行SiC電力電子器件的研發(fā)。Cree公司的SiCSBD的開關(guān)頻率從150kHz提高到500kHz,開關(guān)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(wù)器電源;開發(fā)10kV/50A的PiN二極管和10kV的SiCMOSFET的市場(chǎng)目標(biāo)是10kV與110A的模塊,可用于海軍艦艇的電氣設(shè)備、效率更高和切換更快的電網(wǎng)系統(tǒng),以及電力設(shè)備的變換器件,其SiCMOSFET更關(guān)注于混合燃料電動(dòng)車輛的電源與太陽能模塊。此外,日本半導(dǎo)體廠商也陸續(xù)投入SiCIC量產(chǎn),F(xiàn)ujiElectricHoldings評(píng)估在子公司松本工廠生產(chǎn)SiC半導(dǎo)體器件,該公司預(yù)計(jì)2011年度開始量產(chǎn);三菱電機(jī)預(yù)計(jì)2011年度在福岡制作所設(shè)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(biāo),在川崎市的研發(fā)基地導(dǎo)入試產(chǎn)線,將運(yùn)用于自家生產(chǎn)的鐵路相關(guān)設(shè)備上。充分挖掘SiC材料的優(yōu)勢(shì),開發(fā)新的工藝,實(shí)現(xiàn)高效的電力電子器件將是今后發(fā)展的重點(diǎn)和研究的熱點(diǎn)。

(二)高遷移率化合物半導(dǎo)體材料:延展摩爾定律的新動(dòng)力

在過去的四十多年中,以硅CMOS技術(shù)為基礎(chǔ)的集成電路技術(shù)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(jìn)化到納米尺度,取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益與科學(xué)技術(shù)的重大進(jìn)步,被譽(yù)為人類歷史上發(fā)展最快的技術(shù)之一。然而,隨著集成電路技術(shù)發(fā)展到22納米技術(shù)節(jié)點(diǎn)及以下時(shí),硅集成電路技術(shù)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(shù)問題的限制,并且昂貴的生產(chǎn)線建設(shè)和制造成本使集成電路產(chǎn)業(yè)面臨巨大的投資風(fēng)險(xiǎn),傳統(tǒng)的硅CMOS技術(shù)采用“縮小尺寸”來實(shí)現(xiàn)更小、更快、更廉價(jià)的邏輯與存儲(chǔ)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(shù)將采用全新的材料體系、器件結(jié)構(gòu)和集成技術(shù),集成電路技術(shù)將在“后22納米”時(shí)代面臨重大技術(shù)跨越及轉(zhuǎn)型。

III-V族化合物半導(dǎo)體(尤其是GaAs、InP、InAs、InSb等化合物半導(dǎo)體)的電子遷移率大約是硅的4-60倍,在低場(chǎng)和強(qiáng)場(chǎng)下具有優(yōu)異的電子輸運(yùn)性能,并且可以靈活地應(yīng)用異質(zhì)結(jié)能帶工程和雜質(zhì)工程同時(shí)對(duì)器件的性能進(jìn)行裁剪,被譽(yù)為新一代MOS器件的理想溝道材料。為了應(yīng)對(duì)集成電路技術(shù)所面臨的嚴(yán)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(dǎo)體材料替代應(yīng)變硅溝道,以大幅度提高邏輯電路的開關(guān)速度并實(shí)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(lǐng)域的前沿和熱點(diǎn)。美國、歐洲、日本等各主要發(fā)達(dá)國家都在加大相關(guān)研究的投入力度,各半導(dǎo)體公司如Intel、IBM、TSMC、Freescale等都在投入相當(dāng)?shù)娜肆臀锪﹂_展高遷移率CMOS技術(shù)的研究,力圖在新一輪的技術(shù)競(jìng)爭(zhēng)中再次引領(lǐng)全球集成電路產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。2008年,歐盟委員會(huì)投資1500萬歐元(約合1.4億人民幣)開展“DUALLOGIC”項(xiàng)目研究,以歐洲微電子研究中心(IMEC)為研發(fā)平臺(tái),聯(lián)合IBM、AIXTRON、意法半導(dǎo)體(STMicroelectronics)、恩智浦半導(dǎo)體(NXPSemiconductor)等9家單位,對(duì)高遷移率III-V族化合物半導(dǎo)體材料應(yīng)用于“后22納米”高性能CMOS邏輯電路進(jìn)行技術(shù)攻關(guān),被譽(yù)為歐盟CMOS研究的“旗艦”項(xiàng)目。

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