2010cb327500-g-超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究.doc

项目名称： 超高频、大功率化合物半导体器件与集成技术基础研究 刘新宇 中国科学院微电子研究所 2010年1月-2014年8月 中国科学院 （一）拟解决的关键科学问题 在信息社会，人们对信息大容量传输和高速处理、获取的提出越来越高的要求，使得微电子科学与技术面临许多严峻的挑战。如何充分发挥化合物半导体器件在超高频、大功率方面的优势，从而实现微电子器件和集成电路从吉赫兹到太赫兹的跨越，解决信息大容量传输和高速处理、获取的难题，急需解决以下所涉及的共性关键科学问题： 化合物半导体材料与Si材料最大的区别在于化合物半导体是由二元、三元、四元系材料组成。结构材料是借助先进的MBE）和MOCVD）设备来实现的，原子级调控是利用借助高温衬底提供的激活能，控制原子占据不同的晶格位置，在表面上迁移并结晶的动力学过程，使外延材料呈现出多样的晶体结构和物理特性，如不同原子层形成异质结构产生量子限制效应、不同大小原子构成应变材料产生应变效应和局域化效应等。如在传统AlGaN/GaN HEMT材料异质结界面插入23个原子层厚的AlN，可以改变材料的能带结构，更好地限制二维电子气，并显著降低对载流子的合金散射，提高材料中二维电子气的输运特性在InP衬底上利用四元合金InGaAsSb材料引入双轴应力实现-MOS结构新材料、新结构设计的。材局域化效应二维电子气浓度迁移率深入开展材料结构与器件宏观性能的关联性研究，通过材料结构设计提高二维电子气浓度和迁移率、减少导带尖峰、抑制电流崩塌和短沟效应，提高器件的性能； 该科学问题是形成高质量化合物半导体材料结构的理论基础和依据。 （2）超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律 化合物半导体器件由于材料自身特性，如电子迁移率高、二维电子气浓度高、击穿场强高、饱和漂移速度大等特点，非常适合于超高频、大功率器件和电路的研究，特别是在利用化合物半导体实现超高频CMOS器件、InP基实现太赫兹器件、GaN基实现毫米波大功率等方面极具潜力。但随着器件频率从吉赫兹跨越到太赫兹，器件特征尺寸（FET器件沟道尺寸、HBT器件纵向结构尺寸）缩小到纳米尺度后，器件短沟效应、量子效应、强场效应的影响日趋严重，严重地制约器件性能的提高，如在HMET器件中，沟道中的电场不断增加，强场下器件短沟效应、量子隧穿效应恶化器件性能，而载流子微观统计引起的涨落等量子效应现象对器件性能的影响有待于进一步深入研究；在HBT器件中，随电流密度的提高，可动载流子会对集电极的电场产生屏蔽作用，使载流子的运动速度降低，使高频特性在高电流下退化；这些宏观特性与化合物半导体器件在超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律密切相关。 因此，如何充分理解和挖掘器件在超高频、超强场、纳米尺度下载流子输运机理与行为规律是本项目需要解决的共性关键科学问题之二。在超高频、超强场、纳米尺度下，主导器件工作的基本原理将逐渐由经典物理过渡到量子力学。本项目将深入研究纳米尺度下化合物半导体器件非平衡载流子输运理论，理解影响超高频器件速度的关键因素究竟是载流子的饱和速度还是速度过冲以及制约载流子输运速度的因素是什么，这一问题的解决将为太赫兹新器件提供理论指导和依据，使新器件的创新乃至突破有据可依；深入研究异质结构量子隧穿效应、载流子的弹道输运及微观统计引起的涨落等现象，采用Monte Carlo等模拟方法研究纳米尺度、飞秒量级下载流子输运规律，建立一套能够描述超高频、纳米尺度化合物半导体器件的物理模型；深入研究超强场（热场、电场）下异质结构非平衡态条件下2DEG的输运行为，通过改变磁场强度、温度、栅压、光辐照等动态调制，揭示子带结构、子带占据和各种散射机制在非平衡态下、以及从非平衡态到平衡态转变过程中的变化规律，了解影响2DEG输运特性的各种物理过程。深入研究化合物半导体材料表面态、缺陷、极化效应等对载流子输运、散射、捕获及能态跃迁等机理的影响，指导高性能材料生长和器件研制。 该科学问题是实现化合物半导体器件从吉赫兹到太赫兹跨越的理论和技术基础。 （3）超高频、大功率集成技术中传输机理与耦合机制 随着电路和系统工作频率的提高，特别是进入毫米波（30-300GHz）波段，电磁波波长与器件和系统的几何尺寸已经可以比拟，电磁波在传输过程中的相位滞后、趋肤效应、辐射效应等都不能忽略，相应的集成电路与系统的电特性分析与设计的基础是电磁场理论和传输线理论。信号传输采用微带线和共面波导形式，一方面其电磁场传播模式是具有色散效应的准波TEM），另一方面在复杂多通道的电路和系统中存在有通道间耦合，这些都将导致产生信号的畸变、信号间串扰等信号完整性问题。同时，由于集成度和功率的提高，电磁耦合和电磁辐射导致的电磁兼容性问题也愈加突出，已成为系统性能进一步提高的制约性因素。电