第1章 绪论

1.1 历史和动态

自1998年以来，电子工业已经超过汽车工业，成为世界上规模最大的工业。而半导体工业正是支撑电子工业的基础。从1874年Braun发现金属—半导体接触的电流传导非对称性，到晶体管作为20世纪最重要的发明之一而取代真空电子管，半导体器件电子学这一学科（Semiconductor Devices Electronics）逐渐形成，并日益发挥其重要作用。

今天的信息技术主要依赖于低成本、高速度、高压缩和高可靠的信息电子化。随着半导体技术的不断发展，以微电子工业为主体的各种高新技术产品的功能日臻完善，应用领域越来越广。半导体分立器件及集成电路已经覆盖了诸如微波、功率、光电等应用领域，并逐步成为主流。随着这些应用领域的不断拓展，以硅材料为主的元素半导体不再一枝独秀，化合物半导体技术逐渐成为人们关注的焦点。这与化合物半导体材料的性质密切相关。

在微波应用领域，随着信号频段的不断增高，要求半导体具有更高的载流子漂移速度，而硅的电子饱和漂移速度远远不能满足这一要求，具有更高载流子饱和漂移速度的化合物半导体材料，如GaN、SiC、GaAs等（图1.1）随之应运而生。在过去的几十年中，固态微波领域出现的最令人鼓舞的器件是采用Ⅲ-Ⅴ族化合物制成的微波场效应晶体管[2]。这种器件的工作频率远远超过40GHz。目前，低噪声放大器、混频器、振荡器、功率放大器、开关和乘法器均已完全采用化合物半导体器

图1.1 化合物半导体中电子的速场关系[1]

件。也正是由于化合物器件的灵活、可靠，才促使许多微波系统的性能达到目前的水平。在此基础上研制的高电子迁移率晶体管（HEMT），利用二维电子气的高速性能使微波器件的频段得到进一步的提高[3]。图1.2显示了化合物半导体器件在微波应用领域的优势[4]。继GaAs等第二代半导体之后，以SiC和GaN为代表的第三代宽禁带半导体更是在微波功率领域表现出极大的潜力。图中同时给出了这类器件目前的状况。

图1.2 化合物半导体器件在微波应用领域的优势

半导体光电子技术主要包含发光技术、光敏感技术和太阳能电池技术三个方面。由于材料本身的限制，硅在发光器件、紫外和红外探测器件、光调制器等方面的应用都很有限。而化合物半导体则为这些器件的研制提供了更大的选择余地。20世纪60年代，GaAs技术在半导体激光器和发光二极管方面得到应用，器件性能迅速提高。70年代初期制成了第一块效率接近20%的太阳能电池[5]。GaAs太阳能电池的最高效率始终比硅太阳能电池的最高效率高3%～10%。以GaAs和InP材料为主制成的光电子单片集成电路（OEIC），包括光电子逻辑、光开关和光电信号存储等多种全新功能，具有强大的信号处理能力，应用于光通信和光计算机领域可以达到很高的响应速度。图1.3显示了半导体发光二极管在20世纪发展历程的一个大致记录。

图1.3 化合物半导体发光二极管的发展历程

20世纪60年代末，半导体异质结，特别是量子阱和超晶格在半导体器件结构中的应用取得很大进展[6、7]。随后，几乎所有半导体器件的新进展都与异质结相关，如负阻场效应晶体管[8]，共振隧穿场效应晶体管[9]等。异质结器件的性能主要取决于界面的晶格匹配程度和能带断续的控制。在这方面，化合物半导体有着天然的优势。由于其种类繁多，而且很多固溶体（或称混晶）的禁带宽度可以在很大范围内调节，因此化合物半导体能满足不同器件对各种禁带宽度的要求。

化合物半导体器件的工艺进展也经历了几次重大的发展。早在半导体器件研究初期，化合物半导体器件就进入人们的视野。但是当时的材料生长与工艺技术很不完善，无法满足器件制造的需要。在化合物半导体材料的制备中，不同元素组分比的控制就存在很大问题，这给材料的提纯和单晶制备带来很多困难。此外，采用不同化合物半导体材料的器件之间的工艺兼容性较差，且化合物半导体表面处理比较复杂。这些都是在半导体器件和电路发展过程中需要解决的问题。

化合物半导体材料制备技术直至20世纪70年代才取得突破性的进展。随着液相外延（LPE）、气相外延（VPE）、金属有机物化学气相沉积（MOCVD）和分子束外延（MBE）等先进的材料生长方法相继涌现，化合物半导体器件的材料生长日趋完善，器件性能也突飞猛进地提高。分子束外延是其中的佼佼者，利用该技术生长的材料不仅界面完整，而且材料的组分、掺杂、各层厚度都能在原子量级的范围内精确控制。