我國(guó)GaAs材料和器件的研究起步較早，早在1970年就開(kāi)始低噪聲GaAsMESFET的研究工作，并于1978年設(shè)計(jì)定型了國(guó)內(nèi)第一只砷化稼微波低噪聲場(chǎng)效應(yīng)管，1974年開(kāi)始研究砷化稼功率器件，在1980年國(guó)內(nèi)首次定型砷化稼微波功率場(chǎng)效應(yīng)管。進(jìn)入改革開(kāi)放后，由于受到國(guó)外成熟產(chǎn)品的沖擊，GaAs器件和電路的研究特別是民用器件的研究進(jìn)入低谷期，重點(diǎn)開(kāi)展軍用GaAs器件和電路的研制和攻關(guān)。2004年后，GaAs材料和器件進(jìn)入高速發(fā)展期，國(guó)內(nèi)成立了以中科稼英公司、中科圣可佳公司為代表多家GaAs單晶和外延材料公司，開(kāi)始小批量材料供應(yīng)，并取得一定的市場(chǎng)份額。中科院微電子所通過(guò)自主創(chuàng)新率先在國(guó)內(nèi)建立了4英寸GaAs工藝線，并成功地研制出10Gb/s激光調(diào)制器芯片等系列電路。傳統(tǒng)的器件研制單位中電集團(tuán)13所和55所通過(guò)技術(shù)引進(jìn)完成2英寸到4英寸工藝突破，初步解決Ku波段以下的器件和電路的國(guó)產(chǎn)化問(wèn)題，其中8-12GHzT/R組件套片已成功地應(yīng)用大型系統(tǒng)中，但在成品率、一致性、性價(jià)比等方面尚存在一定的差距，在民品市場(chǎng)中尚缺乏競(jìng)爭(zhēng)力。Ka波段以上的GaAs器件和電路尚沒(méi)有產(chǎn)品推出，嚴(yán)重地制約了我國(guó)信息化建設(shè)。

目前，GaAs電路芯片由多家美、日、德等國(guó)的大公司（例如：Vitesse、Anadigics、Siemens、Triquint、Motorola、Alpha、HP、Oki、NTT等公司）供應(yīng)，國(guó)內(nèi)手機(jī)和光纖通信生產(chǎn)廠家他們對(duì)元器件受國(guó)外制約甚為擔(dān)憂，迫切希望國(guó)內(nèi)有能提供穩(wěn)定供貨的廠家。由于GaAsIC產(chǎn)品尚未達(dá)到壟斷的地步，隨著國(guó)家對(duì)高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)扶持政策的出臺(tái)，這正是發(fā)展GaAs電路產(chǎn)業(yè)化的絕好的市場(chǎng)機(jī)會(huì)。只要我們能形成一定的規(guī)模生產(chǎn)，開(kāi)發(fā)生產(chǎn)一系列高質(zhì)量高性能的電路，完全有可能占領(lǐng)大部國(guó)內(nèi)市場(chǎng)，并可進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)。

2.InP材料和器件國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

InP基半導(dǎo)體材料是以InP單晶為襯底而生長(zhǎng)的化合物半導(dǎo)體材料，包括InGaAs、InAlAs、InGaAsP以及GaAsSb等材料。這些材料突出的特點(diǎn)是材料的載流子遷移率高、種類非常豐富、帶隙從0.7到將近2.0eV、有利于進(jìn)行能帶剪裁。InP基器件具有高頻、低噪聲、高效率、抗輻照等特點(diǎn)，成為W波段以及更高頻率毫米波電路的首選材料。InP基三端電子器件主要有InP基異質(zhì)結(jié)雙極晶體管（HBT）和高電子遷移率晶體管（HEMT）。衡量器件的頻率特性有兩個(gè)指標(biāo)：增益截止頻率（fT）和功率截止頻率（fmax）。這兩個(gè)指標(biāo)決定了電路所能達(dá)到的工作頻率。InP基HBT材料選用較寬帶隙的InP材料作為發(fā)射極、較窄帶隙的InGaAs材料作為基極、集電極的材料根據(jù)擊穿電壓的要求不同可以采用InGaAs材料或InP材料，前者稱為單異質(zhì)結(jié)HBT，后者稱為雙異質(zhì)結(jié)HBT，且后者具有較高的擊穿電壓。InP基HEMT采用InGaAs作為溝道材料、InAlAs作為勢(shì)壘層，這種結(jié)構(gòu)的載流子遷移率可達(dá)10000cm2/Vs以上。

以美國(guó)為首的發(fā)達(dá)國(guó)家非常重視對(duì)InP基器件和電路的研究。從上世紀(jì)九十年代起，美國(guó)對(duì)InP基電子器件的大力支持，研究W波段及更高工作頻率的毫米波電路以適應(yīng)系統(tǒng)不斷提高的頻率要求。最先獲得突破的是InP基HEMT器件和單片集成電路（MMIC）。在解決了提高溝道遷移率、T型柵工藝、歐姆接觸以及增加?xùn)趴靥匦缘汝P(guān)鍵問(wèn)題后，2002年研制成功柵長(zhǎng)為25nm的HEMT器件，fT達(dá)到562GHz，通過(guò)引入InAs/InGaAs應(yīng)變溝道，實(shí)現(xiàn)柵長(zhǎng)為35nm器件的fmax達(dá)到1.2THz。InP基HEMT器件在噪聲和功率密度方面都具有優(yōu)勢(shì)：MMIC低噪聲放大器（LNA）在94GHz下的噪聲系數(shù)僅為2.5dB、增益達(dá)到19.4dB；PA的功率達(dá)到427mW、增益達(dá)到10dB以上。美國(guó)的NorthropGrumman公司形成了一系列W波段MMIC產(chǎn)品。采用截止頻率達(dá)到THz的InP基HEMT器件，也已經(jīng)研制成功大于300GHz的VCO、LNA和PA系列MMIC，并經(jīng)過(guò)系統(tǒng)的演示驗(yàn)證。

InP基HBT的突破是在本世紀(jì)初，美國(guó)加州大學(xué)圣巴巴拉分校的M.Rodwell領(lǐng)導(dǎo)的研究組率先將InP基HBT的fT和fmax提高到200GHz以上。其后采用采用轉(zhuǎn)移襯底技術(shù)實(shí)現(xiàn)的HBT，fT為204GHz，fmax超過(guò)1000GHz；2007年，Illinois大學(xué)制作成功發(fā)射極寬度為250nm的SHBT，其fT超過(guò)800GHz，fmax大于300GHz；為了解決SHBT中擊穿電壓低的問(wèn)題，2008年UCSB設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了無(wú)導(dǎo)帶尖峰的雙異質(zhì)結(jié)HBT（DHBT），fT突破500GHz，fmax接近800GHz，擊穿電壓大于4V；采用GaAsSb基極，與發(fā)射極和集電極的InP材料形成II-型能帶結(jié)構(gòu)的InPDHBT的fT大于600GHz，并具有很好的擊穿特性。在器件突破的同時(shí)，國(guó)外的InP基單片集成功率放大器（PA）、和壓控振蕩器（VCO）的工作頻率都被推進(jìn)到300GHz以上。據(jù)報(bào)道，國(guó)外3毫米波段（100GHz）的系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段，頻率高達(dá)300GHz的演示系統(tǒng)也已出現(xiàn)。

我國(guó)InP基材料、器件和電路的研究起步較晚，近些年取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。在InP單晶方面，國(guó)內(nèi)擁有20多年研究InP單晶生長(zhǎng)技術(shù)和晶體襯底制備技術(shù)的經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了2和3英寸的InP單晶拋光襯底開(kāi)盒即用，其位錯(cuò)密度等方面與國(guó)外襯底材料相當(dāng)，近年來(lái)一直為國(guó)內(nèi)外用戶批量提供高質(zhì)量2和3英寸InP單晶襯底；在外延材料方面，中科院在InP襯底上實(shí)現(xiàn)了InP基HBT和HEMT器件結(jié)構(gòu)，并突破了復(fù)雜結(jié)構(gòu)的HBT材料的生長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量的InP基HBT外延材料，生長(zhǎng)的InP基HEMT外延材料的載流子遷移率大于10000cm2/Vs，并已實(shí)現(xiàn)了向器件研制單位小批量供片；在器件研制方面，2004年前主要開(kāi)展InP基光電器件的研制，如肖特基二極管、光電探測(cè)器等。2004年隨著973項(xiàng)目“新一代化合物半導(dǎo)體電子材料和器件基礎(chǔ)研究”的啟動(dòng)，InP基電子器件和電路的研究才逐漸得以重視，目前中科院和中電集團(tuán)先后在3英寸InP晶圓上實(shí)現(xiàn)了亞微米發(fā)射極寬度的InP基HBT和亞100nmT型柵的InP基HEMT器件，截止頻率超過(guò)300GHz。在毫米波電路的研究方面，中科院和中電集團(tuán)已成功地研制出W波段的低噪聲放大器、功率放大器和VCO樣品；此外采用InPDHBT工藝實(shí)現(xiàn)了40GHz分頻器、比較器和W波段的倍頻器、混頻器等系列芯片，為W波段系統(tǒng)的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

3.GaN材料和器件發(fā)展現(xiàn)狀

氮化鎵（GaN）作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體的代表，具有大的禁帶寬度、高的電子遷移率和擊穿場(chǎng)強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，器件功率密度是Si、GaAs功率密度的10倍以上。由于其高頻率、高功率、高效率、耐高溫、抗輻射等優(yōu)異特性，可以廣泛應(yīng)用于微波毫米波頻段的尖端軍事裝備和民用通信基站等領(lǐng)域，因此成為全球新一代固態(tài)微波功率器件與材料研究的前沿?zé)狳c(diǎn)，有著巨大的發(fā)展前景。

GaN基HEMT結(jié)構(gòu)材料和器件是當(dāng)前國(guó)際上及其重視的研究方向。以美國(guó)為首的西方國(guó)家都將GaN基微波功率器件視為下一代通訊系統(tǒng)和武器應(yīng)用的關(guān)鍵電子元器件，并設(shè)立專項(xiàng)研究計(jì)劃進(jìn)行相關(guān)研究，如美國(guó)國(guó)防先期研究計(jì)劃局（DARPA）的寬禁帶半導(dǎo)體計(jì)劃“WBGS”，提出了從材料、器件到集成電路三階段的研究計(jì)劃，并組織三個(gè)團(tuán)隊(duì)在X波段、寬帶和毫米波段對(duì)GaN基HEMT及其微波單片集成電路（MMIC）進(jìn)行攻關(guān)。在寬禁帶半導(dǎo)體計(jì)劃取得重要進(jìn)展的基礎(chǔ)上，美國(guó)DARPA在2009年又啟動(dòng)了面向更高頻率器件的NEXT項(xiàng)目，預(yù)計(jì)4－5年內(nèi)將器件的頻率提高到500GHz。目前，在GaN基微電子材料及器件研究領(lǐng)域，美國(guó)和日本的研究處于世界領(lǐng)先水平，美國(guó)主要研究機(jī)構(gòu)有UCSB大學(xué)、Cree公司、APA公司、Nitronex公司、Cornell大學(xué)、USC大學(xué)等，日本的主要研究機(jī)構(gòu)有名古屋理工學(xué)院、NEC公司、Fujitsu公司和Oki公司等。2003年，ITRSroadmap中指出：GaN基器件在高偏壓、大功率、大功率密度等應(yīng)用領(lǐng)域具有巨大潛力，是功率器件固態(tài)化的首選。德國(guó)夫瑯和費(fèi)固態(tài)物理應(yīng)用學(xué)會(huì)也在2005年的年度報(bào)告中指出：由于GaN基HEMT器件具有的大動(dòng)態(tài)范圍和良好的線性，它將成為未來(lái)更大功率的基站、雷達(dá)系統(tǒng)使用的功率器件。經(jīng)過(guò)近十年的高速發(fā)展和投入，GaN功率器件和電路取得令人矚目的成就，主要在寬帶、效率、高頻三個(gè)領(lǐng)域全面超越GaAs器件，成為未來(lái)應(yīng)用的主流。在寬帶電路方面，實(shí)現(xiàn)了2-18GHz和6-18GHz寬帶GaN微波功率單片電路，連續(xù)波輸出功率達(dá)到了6-10W，功率附加效率為13%-25%；在高效率方面，X波段MMIC輸出功率20W，功率附加效率達(dá)到了52%。X波段內(nèi)匹配功率器件脈沖輸出功率60.3W，功率附加效率高達(dá)43.4%。2011年，Hossein報(bào)道了3.5GHz下的功率器件，效率達(dá)到80%。2010年M.Roberg研制的F類功率放大器件，在2.14GHz，輸出功率8.2W，效率達(dá)到84%；在高頻率方面，美國(guó)HRL實(shí)驗(yàn)室報(bào)道了12路GaNMMIC波導(dǎo)合成的毫米波功率放大器模塊，在95GHz下，輸出功率超過(guò)100W的GaNMMICs功放合成模塊；2011年，美國(guó)Raytheon公司報(bào)道了三款分別針對(duì)于高效率、高增益、高輸出功率的毫米波GaNMMIC電路，在95GHz下，最高增益為21dB；在91GHz下，最高PAE大于20%；在91GHz下，最高輸出功率為1.7W。同時(shí)，長(zhǎng)期困擾GaN功率器件實(shí)用化的瓶頸：可靠性問(wèn)題，隨著材料、工藝和器件結(jié)構(gòu)等技術(shù)水平的提高，已實(shí)現(xiàn)了MTTF達(dá)到108小時(shí)。2010年，美國(guó)Triquint公司宣布推出3英寸GaN功率器件代工線服務(wù)，并發(fā)布了覆蓋2-18GHz的系列器件和電路，這標(biāo)志著GaN產(chǎn)品時(shí)代正式到來(lái)。