1.1 歷史和動(dòng)態(tài)
第1章 緒論
1.1 歷史和動(dòng)態(tài)
自1998年以來(lái)，電子工業(yè)已經(jīng)超過(guò)汽車(chē)工業(yè)，成為世界上規(guī)模最大的工業(yè)。而半導(dǎo)體工業(yè)正是支撐電子工業(yè)的基礎(chǔ)。從1874年Braun發(fā)現(xiàn)金屬—半導(dǎo)體接觸的電流傳導(dǎo)非對(duì)稱(chēng)性，到晶體管作為20世紀(jì)最重要的發(fā)明之一而取代真空電子管，半導(dǎo)體器件電子學(xué)這一學(xué)科（Semiconductor Devices Electronics）逐漸形成，并日益發(fā)揮其重要作用。
今天的信息技術(shù)主要依賴(lài)于低成本、高速度、高壓縮和高可靠的信息電子化。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)展，以微電子工業(yè)為主體的各種高新技術(shù)產(chǎn)品的功能日臻完善，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。半導(dǎo)體分立器件及集成電路已經(jīng)覆蓋了諸如微波、功率、光電等應(yīng)用領(lǐng)域，并逐步成為主流。隨著這些應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，以硅材料為主的元素半導(dǎo)體不再一枝獨(dú)秀，化合物半導(dǎo)體技術(shù)逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。這與化合物半導(dǎo)體材料的性質(zhì)密切相關(guān)。
在微波應(yīng)用領(lǐng)域，隨著信號(hào)頻段的不斷增高，要求半導(dǎo)體具有更高的載流子漂移速度，而硅的電子飽和漂移速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足這一要求，具有更高載流子飽和漂移速度的化合物半導(dǎo)體材料，如GaN、SiC、GaAs等（圖1.1）隨之應(yīng)運(yùn)而生。在過(guò)去的幾十年中，固態(tài)微波領(lǐng)域出現(xiàn)的最令人鼓舞的器件是采用Ⅲ-Ⅴ族化合物制成的微波場(chǎng)效應(yīng)晶體管[2]。這種器件的工作頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)40GHz。目前，低噪聲放大器、混頻器、振蕩器、功率放大器、開(kāi)關(guān)和乘法器均已完全采用化合物半導(dǎo)體器
件。也正是由于化合物器件的靈活、可靠，才促使許多微波系統(tǒng)的性能達(dá)到目前的水平。在此基礎(chǔ)上研制的高電子遷移率晶體管（HEMT），利用二維電子氣的高速性能使微波器件的頻段得到進(jìn)一步的提高[3]。圖1.2顯示了化合物半導(dǎo)體器件在微波應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)勢(shì)[4]。繼GaAs等第二代半導(dǎo)體之后，以SiC和GaN為代表的第三代寬禁帶半導(dǎo)體更是在微波功率領(lǐng)域表現(xiàn)出極大的潛力。圖中同時(shí)給出了這類(lèi)器件目前的狀況。
半導(dǎo)體光電子技術(shù)主要包含發(fā)光技術(shù)、光敏感技術(shù)和太陽(yáng)能電池技術(shù)三個(gè)方面。由于材料本身的限制，硅在發(fā)光器件、紫外和紅外探測(cè)器件、光調(diào)制器等方面的應(yīng)用都很有限。而化合物半導(dǎo)體則為這些器件的研制提供了更大的選擇余地。20世紀(jì)60年代，GaAs技術(shù)在半導(dǎo)體激光器和發(fā)光二極管方面得到應(yīng)用，器件性能迅速提高。70年代初期制成了第一塊效率接近20%的太陽(yáng)能電池[5]。GaAs太陽(yáng)能電池的最高效率始終比硅太陽(yáng)能電池的最高效率高3%～10%。以GaAs和InP材料為主制成的光電子單片集成電路（OEIC），包括光電子邏輯、光開(kāi)關(guān)和光電信號(hào)存儲(chǔ)等多種全新功能，具有強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，應(yīng)用于光通信和光計(jì)算機(jī)領(lǐng)域可以達(dá)到很高的響應(yīng)速度。圖1.3顯示了半導(dǎo)體發(fā)光二極管在20世紀(jì)發(fā)展歷程的一個(gè)大致記錄。
20世紀(jì)60年代末，半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)，特別是量子阱和超晶格在半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用取得很大進(jìn)展[6、7]。隨后，幾乎所有半導(dǎo)體器件的新進(jìn)展都與異質(zhì)結(jié)相關(guān)，如負(fù)阻場(chǎng)效應(yīng)晶體管[8]，共振隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管[9]等。異質(zhì)結(jié)器件的性能主要取決于界面的晶格匹配程度和能帶斷續(xù)的控制。在這方面，化合物半導(dǎo)體有著天然的優(yōu)勢(shì)。由于其種類(lèi)繁多，而且很多固溶體（或稱(chēng)混晶）的禁帶寬度可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，因此化合物半導(dǎo)體能滿足不同器件對(duì)各種禁帶寬度的要求。
化合物半導(dǎo)體器件的工藝進(jìn)展也經(jīng)歷了幾次重大的發(fā)展。早在半導(dǎo)體器件研究初期，化合物半導(dǎo)體器件就進(jìn)入人們的視野。但是當(dāng)時(shí)的材料生長(zhǎng)與工藝技術(shù)很不完善，無(wú)法滿足器件制造的需要。在化合物半導(dǎo)體材料的制備中，不同元素組分比的控制就存在很大問(wèn)題，這給材料的提純和單晶制備帶來(lái)很多困難。此外，采用不同化合物半導(dǎo)體材料的器件之間的工藝兼容性較差，且化合物半導(dǎo)體表面處理比較復(fù)雜。這些都是在半導(dǎo)體器件和電路發(fā)展過(guò)程中需要解決的問(wèn)題。
化合物半導(dǎo)體材料制備技術(shù)直至20世紀(jì)70年代才取得突破性的進(jìn)展。隨著液相外延（LPE）、氣相外延（VPE）、金屬有機(jī)物化學(xué)氣相沉積（MOCVD）和分子束外延（MBE）等先進(jìn)的材料生長(zhǎng)方法相繼涌現(xiàn)，化合物半導(dǎo)體器件的材料生長(zhǎng)日趨完善，器件性能也突飛猛進(jìn)地提高。分子束外延是其中的佼佼者，利用該技術(shù)生長(zhǎng)的材料不僅界面完整，而且材料的組分、摻雜、各層厚度都能在原子量級(jí)的范圍內(nèi)精確控制。