[科普中国]-砷化镓集成电路

砷化镓集成电路（gallium arsenide integrated circuit，GaAsIC），是指用半导体砷化镓（GaAs）器件构成的集成电路。砷化嫁集成电路包括了砷化嫁超高速集成电路(VHsIC)、微波单片集成电路(MMIC)和光电集成电路(OEIC)。GaAsIC主要指以GaAs半导体材料为主所制作的集成电路，其有源器件主要是金属肖特基场效应晶体管(MESFET)和结型场效应晶体管(JFET)；同时还包含了用分子束外延(MB)E和有机金属汽相沉积(MOCVD)生长的材料所制作的高电子迁移率晶体管(HEMT)和异质结双极晶体管(HBT)等器件所研制的集成电路1。

简介集成电路是一种微小型化的电子电路，主要有半导体集成电路、薄膜集成电路、厚膜集成电路、混合集成电路等4类。其中半导体集成电路是依据固体的微观及宏观特性采用一系列掺杂工艺、细线条工艺、薄膜工艺等精密的微细加工工艺在单片半导体单晶材料上构成包含需要的晶体管、二极管、电阻、电容等元器件的微小型化电子电路。砷化镓集成电路是一种半导体集成电路，主要采用砷化镓做为半导体材料。

砷化镓集成电路具有的优势主要包括：高频率、高速度、高功率、低噪声和低功耗。CMOS的工作频率上限大约为150MHz，与双极晶体管技术相结合的BiCMOS可以将工作频率提高到300MHz，再要求提高频率将不得不采用ECL技术，其工作频率可以提高到2～ 5GHz。样品集成度达到3～ 4万门，但其功耗太大，产品竞争性差。其趋势是采用GaAs技术，其工作频率可达到5～ 10GHz以上，功耗适中。因而是高速系统，特别是2.4Gb/s以上系统主要适用技术。对于某些应用范围，MESFET的低噪声和高频性能满足不了要求，需要采用新器件HEMT， HFET和PHEMT。有时，为了考虑成本因素，采用了分立器件。譬如，在DBS接收机两级低噪声放大器采用分立HEMT来实现。 GaAs HBT是崭露头角的竞争者它能提供单电源供电的优点，兼具有双极器件的低相噪特性，适合用于振荡器，其存在问题是成本高。值得指出，无线通信特别重视低电压工作。而PHEMT正好具有这一优点，譬如，采用适当的最佳匹配网络，工作频率800MHz，其漏偏压1.5V，输出功率30mW，增益10.6dB，附加效率(PAE) 80.4%；而偏压3V，输出功率122mW，增益12.2dB， PAE为84%。表3列出该器件漏偏压在1.5～ 7.8V时，器件的性能变化。如采用适当的夹断电压还可以实现单电源供电2。

应用砷化稼集成电路在国民经济建设和国防建设中有着许多重要用途，而且是硅集成电路所替代不了的。其主要应用领域是：通信卫星、电视卫星接收、移动通信、高清晰度电视、微波毫米波数字频率源、光通信、超高速率讯号处理、微型超级计算机、恶劣环境下用计算机和控制机、高性能仪器、微波传感以及许多重要的国防军用电子装备等。

工艺流程在实际的工艺过程当中，一般都有下述所描述的工艺。将己经抛光的衬底进行退火处理，热处理的温度要与离子注入退火的温度相近，一般在800℃一850℃之间。热处理的时间要足够的长。热处理后的衬底，可以用探针测漏电流，一般来说，衬底经过长时间热处理之后，表面电阻率总要下降，尤其衬底背面不可避免的要出现泄漏电流。一般背面漏电流在200伏特下小于10微毫安的衬底是完全可以使用的。

根据实际的需要决定有源层厚度及浓度。如采用离子注入，表面高浓度的注入剂量一般不能低于平方厘米。如果是外延衬底，一般是缓冲层、有源层、表面高浓度的结构。有源层的厚度在挖槽工艺中，要求精度不很严格，总可以通过挖槽时的腐蚀确定最后的有源层厚度。离子注入后的衬底，经过退火激活有源层后，如果在分布情况与退火激活之前的情况相差很多的话，那么说明衬底的温度稳定性很差。形成台面的目的是将器件隔离开来。与集成电路中的工序大体一致，砷化镓集成电路制造过程中的光刻工艺也是由涂胶，前烘，曝光，显影，定影，坚膜等工序构成。源漏常用剥离工艺形成，剥离中采用正胶，不用负胶。

栅的形成栅形成的过程同样采用剥离工艺。栅挖槽工艺通常需要经过几次腐蚀工艺才能达到满意的效果。当所有部件完成以后，那么需要进行钝化。薄的砷化镓衬底有助于帮助散发热量，所以要进行衬底减薄工艺，减薄的状况视砷化镓衬底的机械强度而定。在形成砷化镓电路过程当中，形成砷化镓 MESFET器件是其中关键的一个流程3。

砷化镓砷化镓（gallium arsenide），化学式 GaAs。黑灰色固体，熔点1238℃。它在600℃以下，能在空气中稳定存在，并且不被非氧化性的酸侵蚀。砷化镓是一种重要的半导体材料。属Ⅲ－Ⅴ族化合物半导体。属闪锌矿型晶格结构，晶格常数5.65×10-10m，熔点1237℃，禁带宽度1.4电子伏。砷化镓于1964年进入实用阶段。砷化镓可以制成电阻率比硅、锗高3个数量级以上的半绝缘高阻材料,用来制作集成电路衬底、红外探测器、γ光子探测器等。由于其电子迁移率比硅大5～6倍，故在制作微波器件和高速数字电路方面得到重要应用。用砷化镓制成的半导体器件具有高频、高温、低温性能好、噪声小、抗辐射能力强等优点。此外，还可以用于制作转移器件──体效应器件。砷化镓是半导体材料中，兼具多方面优点的材料,但用它制作的晶体三极管的放大倍数小，导热性差，不适宜制作大功率器件。虽然砷化镓具有优越的性能，但由于它在高温下分解，故要生产理想化学配比的高纯的单晶材料，技术上要求比较高。砷化镓的优点：

1.电子物理特性

砷化镓（GaAs）拥有一些比硅（Si）还要好的电子特性，如高的饱和电子速率及高的电子迁移率，使得GaAs可以用在高于250 GHz的场合。如果等效的GaAs和Si元件同时都操作在高频时，GaAs会拥有较少的噪声。也因为GaAs有较高的击穿电压，所以GaAs比同样的Si元件更适合操作在高功率的场合。因为这些特性，GaAs电路可以运用在移动电话、卫星通讯、微波点对点连线、雷达系统等地方。GaAs曾用来做成Gunn diode（中文翻做“甘恩二极管”或“微波二极管”，中国大陆地区叫做“耿氏二极管”）以发射微波。现今RFCMOS虽可达到高操作频率及高整合度，但其先天物理上缺点如低击穿电压、硅衬底高频损耗、信号隔离度不佳、低输出功率密度等，使其在功率放大器及射频开关应用上始终难以跟砷化镓匹敌。

2.能隙

GaAs的的另一个优点：它是直接能隙的材料，所以可以用来发光。而Si是间接能隙的材料，只能发射非常微弱的光。（但是，最近的技术已经可以用Si做成LED和运用在激光，发光效率仍不甚理想。）

3.切换速度

因为GaAs的切换速度很快，所以GaAs被认为是电脑应用的理想材料。1980年代时，大家都认为微电子市场的主力将从Si换成GaAs。首先试着要去改变的有超级电脑的供应商克雷公司、Convex电脑公司，Alliant电脑系统公司，这些公司都试着要抢下CMOS微处理器技术的领导地位。Cray公司最后终于在1990年代早期建造了一台GaAs为基础的机器，叫Cray-3。但这项成就还没有被充分地运用，公司就在1995年破产了，1996年为硅谷图形公司收购，经种种难关，2000年后原名复活。

4.抗天然辐射

砷化镓比硅更不会受到自然辐射的干扰，不易产生错误信号。

本词条内容贡献者为:

王慧维 - 副研究员 - 西南大学