我國GaN功率器件和電路的研究起步較早，材料和器件的研究取得了突破性進(jìn)展：3英寸半絕緣4H-SiC單晶電阻率大于108·cm，微管缺陷密度低于30個／cm2，并實(shí)現(xiàn)了小批量供貨；SiC襯底HEMT結(jié)構(gòu)材料的室溫方塊電阻小于270?/?，室溫2DEG遷移率和面密度乘積達(dá)到2.4x1016/Vs，藍(lán)寶石襯底HEMT結(jié)構(gòu)材料的室溫2DEG遷移率大于2180cm2/V.s，室溫2DEG濃度與遷移率的乘積大于2.3?1016/V.s，室溫方塊電阻小于280?/?，達(dá)到國際先進(jìn)水平。在器件和電路方面，國內(nèi)建立了四條GaN功率器件研制線，研制出覆蓋C-Ka波段系列內(nèi)匹配器件和電路。X波段和Ka波段器件輸出功率密度分別達(dá)17W/mm和3W/mm以上；8-12GHzGaNMMIC脈沖輸出功率20W，功率附加效率為32%；15-17GHzGaNMMIC脈沖輸出功率17W，功率附加效率為27%；Ku波段內(nèi)匹配器件脈沖輸出功率20W，功率附加效率大于25%；Ka波段MMIC脈沖輸出功率達(dá)到3W，W波段器件fT大于174GHz、fmax為215GHz。上述器件和電路的技術(shù)指標(biāo)達(dá)到國際先進(jìn)水平，但在可靠性方面尚存在一定的差距，目前處于樣品階段。2011年，我國重大專項(xiàng)啟動“中國寬禁帶半導(dǎo)體推進(jìn)技術(shù)”，重點(diǎn)開展3英寸GaN器件工藝線建設(shè)和器件可靠性推進(jìn)工程，最終實(shí)現(xiàn)“用的上、用的起”GaN功率器件和電路，實(shí)現(xiàn)與國際的同步發(fā)展和競爭。

4.SiC材料和器件發(fā)展現(xiàn)狀

二十一世紀(jì)初，美國國防先進(jìn)研究計(jì)劃局（DARPA）啟動寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)計(jì)劃（WBGSTI），極大推動了寬禁帶半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展。

在SiC單晶材料方面，主流的SiC晶片是3-4英寸，6英寸SiC晶片將很快進(jìn)入市場。美國Cree公司作為全球SiC晶片行業(yè)的先行者，在2007年就可提供商用無微管缺陷的100mm（4英寸）SiC襯底片；2010年8月展示了其新成果，150mm（6英寸）的SiC襯底片，每平方厘米微管密度小于10個。美國DowCorning公司、II-V公司，日本新日鐵和已被日本羅姆公司收購的德國SiCystal公司等都可提供直徑4英寸的SiC襯底片。日本新日鐵計(jì)劃2011年內(nèi)向客戶提供6英寸SiC晶片樣品，預(yù)計(jì)2015年前后量產(chǎn)。

在SiC功率器件方面，基于4HSiC材料的肖特基二極管（SBD）系列、JFET，以及MOSFETs晶體管已經(jīng)實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，代表的公司主要有美國的Cree、SemiSouth、GE，德國的英飛凌、SiCED，日本的ROHM、三菱、日立、電裝（DENSO）等公司。目前，商業(yè)化的SiC二極管主要是SBD，已經(jīng)系列產(chǎn)品化，阻斷電壓范圍600V~1700V，電流1A~50A。主要生產(chǎn)廠商有：美國Cree（最大額定電流50A，反向阻斷電壓1700V）、美國SemiSouth（最大額定電流30A，反向阻斷電壓1200V）、和德國Infineon（最大額定電流15A，反向阻斷電壓1200V），以及日本Rohm（最大額定電流10A，反向阻斷電壓600V）等公司。商業(yè)化的SiC晶體管包括SemiSouth公司推出的SiCJFET（阻斷電壓為1200V和1700V，電流為3A~30A）以及TranSiC公司推出的BJT器件（阻斷電壓為1200V和1700V，電流從6A~20A）。另外，美國Cree公司、日本Rohm公司已經(jīng)可以量產(chǎn)600~1200VSiCDMOS，并開始提供功率模塊樣品。

SiC肖特基二極管的應(yīng)用可大幅降低開關(guān)損耗并提高開關(guān)頻率，廣泛用于如空調(diào)、數(shù)碼產(chǎn)品DC、DV、MP4、PC、工業(yè)控制服務(wù)器等領(lǐng)域。在航空航天等高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)，SiC器件的應(yīng)用能夠有效減小系統(tǒng)的體積，同時具有優(yōu)異的抗輻射性能。SiC電力電子器件市場從2010年開始擴(kuò)展，可望出現(xiàn)60~70%以上的年增長率，并在2015年達(dá)到8億美元的市場規(guī)模。其中，占主要市場份額的SiC電力電子器件形式和應(yīng)用領(lǐng)域依次為混合動力車專用MOSFET、SBD器件和功率因數(shù)校正電路用SBD器件。

寬禁帶半導(dǎo)體SiC材料除了用于制作高頻和功率器件外，滿足軍事、航天應(yīng)用中高溫、高腐蝕環(huán)境需求的功率器件、抗輻照器件、氣體傳感器、高溫傳感器等也是SiC器件發(fā)展的一個重要領(lǐng)域。

（三）關(guān)注化合物半導(dǎo)體的一些難題

在信息社會，人們對信息大容量傳輸和高速處理、獲取的提出越來越高的要求，使得微電子科學(xué)與技術(shù)面臨許多嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。如何充分發(fā)揮化合物半導(dǎo)體器件在超高頻、大功率方面的優(yōu)勢，從而實(shí)現(xiàn)微電子器件和集成電路從吉赫茲到太赫茲的跨越，解決信息大容量傳輸和高速處理、獲取的難題，依然存在若干關(guān)鍵問題：

1.化合物半導(dǎo)體材料原子級調(diào)控與生長動力學(xué)

化合物半導(dǎo)體材料與Si材料最大的區(qū)別在于化合物半導(dǎo)體是由二元、三元、四元系材料組成。結(jié)構(gòu)材料是借助先進(jìn)的MBE和MOCVD設(shè)備來實(shí)現(xiàn)的，原子級調(diào)控是利用不同種類的原子在外延過程中的結(jié)合能、遷移率等的不同，借助高溫襯底提供的激活能，控制原子占據(jù)不同的晶格位置，在表面上遷移并結(jié)晶的動力學(xué)過程，使外延材料呈現(xiàn)出多樣的晶體結(jié)構(gòu)和物理特性，如不同原子層形成異質(zhì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生量子限制效應(yīng)、不同大小原子構(gòu)成應(yīng)變材料產(chǎn)生應(yīng)變效應(yīng)和局域化效應(yīng)以及同種原子占據(jù)不同的晶格位置產(chǎn)生不同的摻雜類型等。利用原子級調(diào)控實(shí)現(xiàn)材料的量子限制效應(yīng)、極化效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)、局域化效應(yīng)和摻雜效應(yīng)完成能帶剪裁和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。如在傳統(tǒng)AlGaN/GaNHEMT材料異質(zhì)結(jié)界面插入2～3個原子層厚的AlN，可以改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，更好地限制二維電子氣，并顯著降低對載流子的合金散射，提高材料中二維電子氣的輸運(yùn)特性，能夠?qū)崿F(xiàn)對新材料、新結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理論指導(dǎo)。因此，通過對化合物半導(dǎo)體原子級調(diào)控和生長動力學(xué)的研究是實(shí)現(xiàn)低缺陷、高性能化合物材料的關(guān)鍵問題。

通過深入研究化合物半導(dǎo)體材料原子的排列導(dǎo)致能帶結(jié)構(gòu)的變化，利用量子效應(yīng)、極化效應(yīng)、應(yīng)變效應(yīng)、能帶工程設(shè)計(jì)化合物半導(dǎo)體的材料結(jié)構(gòu)，減小載流子的有效質(zhì)量，為實(shí)現(xiàn)超高頻、太赫茲和毫米波大功率器件的材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供理論指導(dǎo)；深入開展材料結(jié)構(gòu)與器件宏觀性能的關(guān)聯(lián)性研究，通過材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提高二維電子氣濃度和遷移率、減少導(dǎo)帶尖峰、抑制電流崩塌和短溝效應(yīng)，提高器件的性能；深入研究化合物半導(dǎo)體表面再構(gòu)形成的機(jī)理，考慮半導(dǎo)體的表面能帶彎曲對生長過程中原子的運(yùn)動、結(jié)合機(jī)制影響，建立包含固相、氣相和表面相的熱力學(xué)模型，形成完善生長理論，解決同質(zhì)和異質(zhì)界面生長的動力學(xué)問題；深入研究應(yīng)力場中原子運(yùn)動和結(jié)合機(jī)制，掌握缺陷的形成、增殖和運(yùn)動機(jī)制，解決大失配異質(zhì)結(jié)構(gòu)的生長、以及應(yīng)力場中的高摻雜問題。

2.大尺寸、大失配硅基化合物半導(dǎo)體材料生長

硅基上實(shí)現(xiàn)高性能的化合物半導(dǎo)體材料一直是研究人員和工業(yè)界追求的目標(biāo)，一方面，該技術(shù)可以大大降低化合物器件的成本，另一方面，可以充分利用硅基材料與化合物材料的結(jié)合實(shí)現(xiàn)多功能器件和電路的融合，如光電一體、高壓低壓一體、數(shù)字微波融合等等，將未來系統(tǒng)設(shè)計(jì)帶來巨大的變革。因此，大尺寸、大失配硅基化合物半導(dǎo)體材料生長是未來化合物半導(dǎo)體跨越式發(fā)展的關(guān)鍵。但實(shí)現(xiàn)大尺寸、大失配硅基化合物半導(dǎo)體材料生長面臨著諸多挑戰(zhàn)和問題：一是大失配問題，硅襯底與III-V族半導(dǎo)體材料之間存在三種主要“失配”，即晶格常數(shù)失配、熱膨脹系數(shù)失配、晶體結(jié)構(gòu)失配。晶格常數(shù)失配在異質(zhì)外延過程中將引入大量的位錯與缺陷；熱膨脹系數(shù)差異將導(dǎo)致熱失配，在高溫生長后的降溫過程中產(chǎn)生熱應(yīng)力，從而使外延層的缺陷密度增加甚至產(chǎn)生裂紋；晶體結(jié)構(gòu)失配往往導(dǎo)致反向疇問題。二是極性問題，由于Si原子間形成的健是純共價鍵屬非極性半導(dǎo)體，而III-V族半導(dǎo)體材料（如GaN）原子間是極性鍵屬極性半導(dǎo)體。對于極性/非極性異質(zhì)結(jié)界面有許多物理性質(zhì)不同于傳統(tǒng)異質(zhì)結(jié)器件，所以界面原子、電子結(jié)構(gòu)、晶格失配、界面電荷和偶極矩、帶階、輸運(yùn)特性等都會有很大的不同，這也是研究Si襯底III-V材料和器件所必須認(rèn)識到的問題；三是硅襯底上Si原子的擴(kuò)散，在高溫生長過程中Si原子的擴(kuò)散加劇，導(dǎo)致外延層中會含有一定量的Si原子，這些Si原子易于與生長氣氛中的氨氣發(fā)生反應(yīng)，而在襯底表面形成非晶態(tài)SixNy薄膜，降低外延層的晶體質(zhì)量。

通過研究大失配材料體系外延生長過程中位錯與缺陷的形成機(jī)理與行為規(guī)律，探索外延材料質(zhì)量與生長動力學(xué)之間的內(nèi)在聯(lián)系，研究襯底與外延層之間的介質(zhì)層對初始成核的影響，解決Si與III-V族材料晶體結(jié)構(gòu)不同導(dǎo)致的反向籌的問題，優(yōu)化緩沖層技術(shù)與柔性襯底技術(shù)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料組分、生長條件、生長模式，降低外延層中的位錯和缺陷密度，采用應(yīng)力補(bǔ)償與低溫外延技術(shù)等方式抑制裂紋的形成與擴(kuò)展，借助中斷生長技術(shù)、MEE技術(shù)實(shí)現(xiàn)對界面的控制，從而獲得低缺陷密度、高遷移率、穩(wěn)定可靠的硅襯底上III-V族半導(dǎo)體材料。

3.超高頻、超強(qiáng)場、納米尺度下載流子輸運(yùn)機(jī)理與行為規(guī)律

化合物半導(dǎo)體器件由于材料自身特性，如電子遷移率高、二維電子氣濃度高、擊穿場強(qiáng)高、飽和漂移速度大等特點(diǎn)，非常適合于超高頻、大功率器件和電路的研究，特別是在利用化合物半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)超高頻CMOS器件、InP基實(shí)現(xiàn)太赫茲器件、GaN基實(shí)現(xiàn)毫米波大功率等方面極具潛力。但隨著器件頻率從吉赫茲跨越到太赫茲，器件特征尺寸（FET器件溝道尺寸、HBT器件縱向結(jié)構(gòu)尺寸）縮小到納米尺度后，器件短溝效應(yīng)、量子效應(yīng)、強(qiáng)場效應(yīng)的影響日趨嚴(yán)重，嚴(yán)重地制約器件性能的提高，如在HEMT器件中，溝道中的電場不斷增加，強(qiáng)場下器件短溝效應(yīng)、量子隧穿效應(yīng)惡化器件性能，而載流子微觀統(tǒng)計(jì)引起的漲落等量子效應(yīng)現(xiàn)象對器件性能的影響有待于進(jìn)一步深入研究；在HBT器件中，隨電流密度的提高，可動載流子會對集電極的電場產(chǎn)生屏蔽作用，使載流子的運(yùn)動速度降低，使高頻特性在高電流下退化；這些宏觀特性與化合物半導(dǎo)體器件在超高頻、超強(qiáng)場、納米尺度下載流子輸運(yùn)機(jī)理與行為規(guī)律密切相關(guān)。因此，充分理解和挖掘器件在超高頻、超強(qiáng)場、納米尺度下載流子輸運(yùn)機(jī)理與行為規(guī)律是實(shí)現(xiàn)新原理、高性能化合物器件的關(guān)鍵問題。