砷化鎵積體電路

砷化鎵積體電路（gallium arsenide integrated circuit，GaAsIC），是指用半導體砷化鎵（GaAs）器件構成的積體電路。砷化鎵積體電路包括了砷化鎵超高速積體電路(VHsIC)、微波單片積體電路(MMIC)和光電積體電路(OEIC)。GaAsIC主要指以GaAs半導體材料為主所製作的積體電路，其有源器件主要是金屬肖特基場效應電晶體(MESFET)和結型場效應電晶體(JFET)；同時還包含了用分子束外延(MB)E和有機金屬汽相沉積(MOCVD)生長的材料所製作的高電子遷移率電晶體(HEMT)和異質結雙極電晶體(HBT)等器件所研製的積體電路。

基本介紹

• 中文名：砷化鎵積體電路
• 外文名：gallium arsenide integrated circuit
• 類別：肖特基勢壘柵場效應管
• 時間：20世紀70年代初
• 材料：半導體砷化鎵

簡介

積體電路是一種微小型化的電子電路，主要有半導體積體電路、薄膜積體電路、厚膜積體電路、混合積體電路等4類。其中半導體積體電路是依據固體的微觀及巨觀特性採用一系列摻雜工藝、細線條工藝、薄膜工藝等精密的微細加工工藝在單片半導體單晶材料上構成包含需要的電晶體、二極體、電阻、電容等元器件的微小型化電子電路。砷化鎵積體電路是一種半導體積體電路，主要採用砷化鎵做為半導體材料。

砷化鎵積體電路具有的優勢主要包括：高頻率、高速度、高功率、低噪聲和低功耗。CMOS的工作頻率上限大約為150MHz，與雙極電晶體技術相結合的BiCMOS可以將工作頻率提高到300MHz，再要求提高頻率將不得不採用ECL技術，其工作頻率可以提高到2～ 5GHz。樣品集成度達到3～ 4萬門，但其功耗太大，產品競爭性差。其趨勢是採用GaAs技術，其工作頻率可達到5～ 10GHz以上，功耗適中。因而是高速系統，特別是2.4Gb/s以上系統主要適用技術。對於某些套用範圍，MESFET的低噪聲和高頻性能滿足不了要求，需要採用新器件HEMT， HFET和PHEMT。有時，為了考慮成本因素，採用了分立器件。譬如，在DBS接收機兩級低噪聲放大器採用分立HEMT來實現。 GaAs HBT是嶄露頭角的競爭者它能提供單電源供電的優點，兼具有雙極器件的低相噪特性，適合用於振盪器，其存在問題是成本高。值得指出，無線通信特別重視低電壓工作。而PHEMT正好具有這一優點，譬如，採用適當的最佳匹配網路，工作頻率800MHz，其漏偏壓1.5V，輸出功率30mW，增益10.6dB，附加效率(PAE) 80.4%；而偏壓3V，輸出功率122mW，增益12.2dB， PAE為84%。表3列出該器件漏偏壓在1.5～ 7.8V時，器件的性能變化。如採用適當的夾斷電壓還可以實現單電源供電。

套用

砷化稼積體電路在國民經濟建設和國防建設中有著許多重要用途，而且是矽積體電路所替代不了的。其主要套用領域是：通信衛星、電視衛星接收、移動通信、高清晰度電視、微波毫米波數字頻率源、光通信、超高速率訊號處理、微型超級計算機、惡劣環境下用計算機和控制機、高性能儀器、微波感測以及許多重要的國防軍用電子裝備等。

工藝流程

在實際的工藝過程當中，一般都有下述所描述的工藝。將己經拋光的襯底進行退火處理，熱處理的溫度要與離子注入退火的溫度相近，一般在800℃一850℃之間。熱處理的時間要足夠的長。熱處理後的襯底，可以用探針測漏電流，一般來說，襯底經過長時間熱處理之後，表面電阻率總要下降，尤其襯底背面不可避免的要出現泄漏電流。一般背面漏電流在200伏特下小於10微毫安的襯底是完全可以使用的。

根據實際的需要決定有源層厚度及濃度。如採用離子注入，表面高濃度的注入劑量一般不能低於平方厘米。如果是外延襯底，一般是緩衝層、有源層、表面高濃度的結構。有源層的厚度在挖槽工藝中，要求精度不很嚴格，總可以通過挖槽時的腐蝕確定最後的有源層厚度。離子注入後的襯底，經過退火激活有源層後，如果在分布情況與退火激活之前的情況相差很多的話，那么說明襯底的溫度穩定性很差。形成台面的目的是將器件隔離開來。與積體電路中的工序大體一致，砷化鎵積體電路製造過程中的光刻工藝也是由塗膠，前烘，曝光，顯影，定影，堅膜等工序構成。源漏常用剝離工藝形成，剝離中採用正膠，不用負膠。

柵的形成柵形成的過程同樣採用剝離工藝。柵挖槽工藝通常需要經過幾次腐蝕工藝才能達到滿意的效果。當所有部件完成以後，那么需要進行鈍化。薄的砷化鎵襯底有助於幫助散發熱量，所以要進行襯底減薄工藝，減薄的狀況視砷化鎵襯底的機械強度而定。在形成砷化鎵電路過程當中，形成砷化鎵 MESFET器件是其中關鍵的一個流程。

砷化鎵

砷化鎵（gallium arsenide），化學式 GaAs。黑灰色固體，熔點1238℃。它在600℃以下，能在空氣中穩定存在，並且不被非氧化性的酸侵蝕。砷化鎵是一種重要的半導體材料。屬Ⅲ－Ⅴ族化合物半導體。屬閃鋅礦型晶格結構，晶格常數5.65×10-10m，熔點1237℃，禁頻寬度1.4電子伏。砷化鎵於1964年進入實用階段。砷化鎵可以製成電阻率比矽、鍺高3個數量級以上的半絕緣高阻材料,用來製作積體電路襯底、紅外探測器、γ光子探測器等。由於其電子遷移率比矽大5～6倍，故在製作微波器件和高速數字電路方面得到重要套用。用砷化鎵製成的半導體器件具有高頻、高溫、低溫性能好、噪聲小、抗輻射能力強等優點。此外，還可以用於製作轉移器件──體效應器件。砷化鎵是半導體材料中，兼具多方面優點的材料,但用它製作的晶體三極體的放大倍數小，導熱性差，不適宜製作大功率器件。雖然砷化鎵具有優越的性能，但由於它在高溫下分解，故要生產理想化學配比的高純的單晶材料，技術上要求比較高。砷化鎵的優點：

1.電子物理特性

砷化鎵（GaAs）擁有一些比矽（Si）還要好的電子特性，如高的飽和電子速率及高的電子遷移率，使得GaAs可以用在高於250 GHz的場合。如果等效的GaAs和Si元件同時都操作在高頻時，GaAs會擁有較少的噪聲。也因為GaAs有較高的擊穿電壓，所以GaAs比同樣的Si元件更適合操作在高功率的場合。因為這些特性，GaAs電路可以運用在行動電話、衛星通訊、微波點對點連線、雷達系統等地方。GaAs曾用來做成Gunn diode（中文翻做“甘恩二極體”或“微波二極體”，中國大陸地區叫做“耿氏二極體”）以發射微波。現今RFCMOS雖可達到高操作頻率及高整合度，但其先天物理上缺點如低擊穿電壓、矽襯底高頻損耗、信號隔離度不佳、低輸出功率密度等，使其在功率放大器及射頻開關套用上始終難以跟砷化鎵匹敵。

2.能隙

GaAs的的另一個優點：它是直接能隙的材料，所以可以用來發光。而Si是間接能隙的材料，只能發射非常微弱的光。（但是，最近的技術已經可以用Si做成LED和運用在雷射，發光效率仍不甚理想。）

3.切換速度

因為GaAs的切換速度很快，所以GaAs被認為是電腦套用的理想材料。1980年代時，大家都認為微電子市場的主力將從Si換成GaAs。首先試著要去改變的有超級電腦的供應商克雷公司、Convex電腦公司，Alliant電腦系統公司，這些公司都試著要搶下CMOS微處理器技術的領導地位。Cray公司最後終於在1990年代早期建造了一台GaAs為基礎的機器，叫Cray-3。但這項成就還沒有被充分地運用，公司就在1995年破產了，1996年為矽谷圖形公司收購，經種種難關，2000年後原名復活。

4.抗天然輻射

砷化鎵比矽更不會受到自然輻射的干擾，不易產生錯誤信號。