新型微电子器件及IC

　　从七十年代开始，SiVHSIC进入其全盛时期，197〇年出现1k位的DRAM，到I.979年研制成功了64kDRAM，从而进入VILSI时代。进入八十年代后进展更为迅速，现已突破4M大关，到本世纪末，将可能出现1G位DRAM。在逻辑电路方面，八十年代末期SiECL已实现80ps的门时延(1.5万门)，将来有可能降到40〜5〇ps。目前，门阵列的集成规模已达5万门。还用SiECL研制成了32位CISC和64位RISC微机。MOS电路也取得了迅速的发展，预测到九十年代末，集成规模将超过250万门/芯片。

　　在微波应用方面，硅微波低噪声器件在七十年代进入X波段后，便处于接近极限水平状态，而功率器件直到八十年代初期，在L和S波段仍迅速发展，在C波段乃至X波段，则受到GaAsMESFET的挑战而失去了大部分阵地。尽管如此，在6GHz以下的信号放大和18GHz以下的振荡应用中，仍为可用的微波器件之一。

　　HEMT是迄今已开发成功的最有希望的微波和高速器件之一。它采用i-GaAs/n-AlGaAs调制渗杂结构，在i-GaAs层中形成2DEG沟道，由于它与电子供给层(n-AlGaAs)在空间上是分开的，消除了离化施主杂质的散射，故能显著提高电子迁移率，并因而得名。值得注意的是，它可以在非常薄的沟道中，获得很高的薄层载流子密度，且栅与2DEG沟道距离短，易于减少短沟效应。近十年里，HEMT在低噪声领域里，已获得举世公认的成就，是最适于毫米波低端应用的器件之一。

　　赝配HEMT(P-HEMT)是用i-InGaAs代替HEMT中的i-GaAs而构成的。因为InGaAs作为沟道，有更高的频率和更快的速度，易于消除DX中心的影响和更有利于对载流子的限制，且适于功率应用。P-HEMT的一个重要改进是采用Si平面掺杂结构，它成功地解决了有源层掺杂浓度和栅长之间的折衷处理问题。S平面掺杂的双异质结P-HEMT已成为最有希望的毫米波功率器件，小栅宽器件已取得了94GHz下输出57mW的卓越性能。

　　磷化铟基HEMT(InP-HEMT)是以InP为衬底、InGaAs为沟道，AlInAs为电子供给层的HEMT，它除具备InGaAs沟道材料的比GaAs更髙电子迁移率和更快漂移速度的特点外，AlInAs/GalnAs异质结界面有更大的导带不连续性，对载流子有更好的限制，加之Si在AlinAs中有更髙的掺杂效率，因此能获得更髙的2DEG密度。这些特点对于提高器件的频率和跨导以及降低噪声提高增益都有贡献。InP-HEMT是目前最适于毫米波髙端应用的低噪声器件，在其1987年诞生后的两三年里，工作频率就提高到W波段，噪声系数也降到了令人惊奇的程度，在94GHz下仅为1.4dB。

　　在VHSIC应用方面，HEMT以其高速低功耗的特点受到重视而得以迅速发展。逻辑电路，已研制成功门阵列，其延时为108ps。采用16X16位并行乘法器作试验媒体，得到其室温下的运算时间为4.1ns，功耗为6.2W。根据模拟结果，预测出10k门阵逻辑电路全芯片延时为70ps(300K)和40ps(77K),此性能可满足未来超高速计算机的要求。此外,在存储电路方面，已采用0.6fxmHEMT试制成功64kSRAM,在室温下，存取时间为1.2ns,功耗为5.9W。根据国外所做的乐观预测，从九十年代中期开始到本世纪末，无论在速度方面，还是在逻辑电路的集成度和功耗方面，HEMT1C都有可能超过SiVHSIC。不过，在存储器的规模上仍然要远落后于SilC。但我们相信，通过许多技术难题的突破，在本世纪内HEMTVHSIC必将成为最重要的半导体技术之一，在超高速计算机等应用中大显身手。

　　HBT的发射极采用轻掺杂的宽带隙半导体材料(如AlGaAs)，基极和收集极则采用重掺杂的较窄带隙的材料(如GaAs)。的存在允许基极比发射极有更高的掺杂浓度，因而可降低基极电阻和减少发射极-基极电容，这特-别有利于器件的高频高速工作。此外，其阈值电压严格地由决定，与GaAsMESFET的阈值电压由其沟道掺杂浓度和厚度控制相比，较易控制，偏差小，因而易于实现大破模集成。

　　上述结构特点赋予HBT许多独特性能。

　　与Si双极晶体管(BJT)相比，它有高得多的频率和速度。目前GaAs/AlGaAsHBT的八已达170GHz,/_达218GH:，1C的门时延已降到5.3ps。与FET相比，它又有BJT的特点，跨导大、输出电导低、电流处理能力和驱动能力强、阈值稳定。

　　目前HBT主要采用GaAs/AlGaAs系统，

　　不过采用InAlAs/InGaAs系统时，由于InGaAs基区优于GaAs基区，会显示出更高的电子速度、较低的发射极-基极开启电压和比较好的噪声特性，因而更适于髙速低功耗电路。采用这种结构的也日益增多。

　　在VHS1C方面，GaAs/AlGaAsHBT技术已取得不少成果，4k门阵列的门延时已降到〇.4ns，门功耗仅为1mW，4分频器的频率提高到34.8GHz。还采用HI2L技术制成了32位RISC微机，它集成有13000个HBT门，工作频率高达150MHz。目前HBTVHSIC的应用主要是在高速处理和ADC、DAC方面，如3〜35GHz下变频器和锁相环合成器用分频器以及10〜20Gb/s的光纤通信接口电路。ADC正向分辨率为6〜10位的更高带宽取样频率(0•3〜>3GHz)发展，可工作在3.27GHz的6位ADC已研制成功。在与微波单片集成方面，2-3fmi发射极HBTIC已用来实现6〜17GHz数字和0.3〜3GHz模拟转换功能。此外，采用AlInAs/GalnAsfiBT，-也已实现39.5GHz的静态分频器。

　　在微波应用方面，主要是功率放大和振荡领域，已研制出11.0〜11.88GHz、输出功率为219mW、转换效率为31%的单片VCO和8.8〜9.8GHz、输出功率为12W、功率附加效率为35%的单片PA。此外，最近还采用AlInAs/GalnAsHBT技术，研制成功33GHz倍频宽带反馈放大器和16GHZ双平衡镜相抑制混频器等。

　　总之，HBT在数字和微波功率电路方面已取得了令人鼓舞的结果，将来有可能发展成为与HEMT技术并驾齐驱的关键技术，很有潜力。SiGe-HBT采用双异质结结构，发射极和收集极是对称的，可同时改进正常工作和倒置工作模式的电流增益。其发射极电流放大系数很高，室温(300K)下的最高值已达5000,低温(77K)下达13000,远高于常规的SiBJT。此外，作为双极结型晶体管在模拟电路中应用时的重要优值的增益X欧莱电压乘积，最高的已超过10万，比性能相当的硅同质结双极结型晶体管高1〇〇倍。

　　目前&Ge基区HBT在1C应用中已取得较理想的结果。在室温下(300K)，ECL电路的最小门时延约为24ps，最小功耗•延时乘积约为88fj;而NTL电路的最小门延时约为19ps。这些性能都优于常规的双极1C。此外,SiGe-HBT还有很好的低噪声特性，例如在2〜10GHz,其JVT为0.6〜1.2dB，这在双极晶体管中也是最低的。不过，根据目前已报导的情况来看，研究重点似乎仍在高速方面。

　　需要指出，尽管SiGe-HBT与常规BJT相比，有许多优点，并实现了较髙的性能，但目前还不能说是成熟的技术，为了进一步发挥其潜在能力和开拓应用，还需在材料生长、器件物理、器件结构和工艺以及电路应用等诸多方面，进一步进行广泛深入的研究与开发。

　　5真空微电子器件

　　场发射阴极和真空电子管概念相结合，给微电子学家族中增添了一个新成员，这就是真空微电子学。用半导体微细加工技术制造的真空微电子器件，由用于发射电子的锥尖状场发射阴极和与之靠近的栅极以及用于接收电子的阳极组成，它通常被制成阵列形式，故亦称之为场发射阵列。最近还提出了真空微电子微带放大器的设想，从而拓展了真空微电子学的领域。

　　真空微电子器件兼有真空管(电子在真空中输运)和微电子器件(微细加工技术)两者的优点。最重要的是，它可以超高速工作。如所周知，在半导体中，由于杂质和声子等的散射，限制了载流子的漂移速度，GaAs中电子的最大饱和漂移速度为5X107cm/s，而在真空中有可能达到6〜9X108cm/s，即高10〜20倍。预期其工作频率可高达1THz，具有1.5X1〇_13秒的超高速开关特性。这种高速性来源於电子的真空输运，当然，这里所说的真空，实际上并不是“真正”的真空，而还存在〇.〇1〜1个大气压的气体，但由于采用亚微米加工技术，器件结构的尺寸被制作得非常微小，电子从阴极到阳极的渡越距离很短，只有零点几微米，大于电子的平均自由程，电子在输运球程中，不受碰撞，为弹道传输，因此可视为“真空”。其次，与真空电子管不同，真空微电子器件不需要加热阴极，而是通过施加电场，降低固体-真空界面表面势，从而使电子隧穿表面势垒而发射到真空中去的。因此，有高的直流功率效率，功耗很低。尽管一个锥尖发射的电流很微小(MA数量级)，但集成密度很高，故发射极电流密度还是相当高的，达lkA/cm2。用这种器件设计的1THz真空微带放大器，预期可输出1〜50W。此外，这种器件能在比较苛刻的条件(例如高温、极低温和辐射强度高)下工作，可靠性好，便于开拓新的应用领域。由于以上原因，真空微电子器件的开发研究受到美俄等许多国家的重视。

　　目前平面限制的二维量子阱中的量子效应在许多器件中已被利用，例如谐振隧道器件和量子阱激光器等。

　　谐振隧道晶体管(RTT)是目前研究得最充分的量子电子器件之一，其特点是，在器件结构中有由双势垒或超晶格构成的谐振隧道势垒(RTB)，因而会出现负微分电阻效应，这样在构成逻辑1C时，可大幅度减少所需晶体管数目，有利于实现低功耗化和高速化。当用超晶格作RTB时，还可产生多个负阻区，故用它可实现多值逻辑。此外，发射区中的电子具有高热能，以弹道方式传输，速度快。RTT主要有两种，一种是在双极晶体管的结构中加入RTB构成的谐振隧道双极晶体管(RTBT);另一种是在热电子晶体管的结构中加入RTB构成的谐振隧道热电子晶体管(RHET)。它们都已取得了良好的性能。多态RTBT在室温下的电流增益已达到100,RHET则达到12,峰谷电流比达30,并制成了一些基本电路。

　　上述电子量子化只发生在与外延层表面垂直方向上，是二维电子系统。如果在上述量子化平面内，通过引入具有与电子波长同等程度特征长度的人工势垒，对平面内的二维电子进一步施以量子限制，就能得到一维或零维电子系统的量子线或量子箱(点)结构，如果再通过隧道效应将它们相互耦合起来，还可得到量子线超晶格等立体量子结构，形成多种量子状态。

　　通过减少量子线的断面尺寸调整小能带的位置，可使大部分电子处于基横模(或基底子能带)中，形成单模量子线，除能控制杂质散射提高电子迁移率扩大平均自由程外，利用电子波干涉效应还可制成布喇格反射量子干涉FET和A-B晶体管。

　　通过适当设计量子线超晶格的能带电子状态，除能抑制杂质散射外，还能有效地控制声子散射，这样就有可能确保在高温高电场下也有高电子迁移率，实现长距离的弹道传输和布洛赫振荡。此外，如果在二维或一维系统的传输方向上，制作人工势垒，并调整电子的费米波长，使之接近布喇格反射条件，就有可能抑制电子向前方的传播，因而电流将减少。当在这种量子线超晶格上设置电极时，就可通过电压来改变费米波长，这样就有可能制成栅控布喇格反射FET。

　　需要指出，量子效应除在电子器件中应用外，对于提高光电子器件的性能也是颇有成效的，例如量子线或量子箱激光器，再如利用多量子阱中的量子限制的斯塔克效应(QCSE)制成非线性光学元件等。

　　总之，量子效应器件比较明朗，潜力颇大，随着量子微结构加工技术的进步，许多新颖的器件会得以实现，我们应密切注意其动向。

　　在过去的十几年里，由于MOCVD、MBE、CBE等薄膜生长技术、能带工程和器件电路技术的长足进步，已使许多的新颖设计概念得以实现，以原子层器件尺寸制造器件，按照要求对能带进行“裁剪”，用量子阱或超晶格对电子进行多维限制，都已不再是梦想。在此基础上诞生的许多新型器件和电路，有的已获得良好的性能，有的则刚崭露头角，但已显示出雄厚潜力。

　　但与Si技术相比，异质结技术还不成熟，影响力还比较小，特别是在存储器规模上还远远落后，但必将找到用武之地，而与Si技术相辅相成。例如异质结器件可以发挥其固有特长，在如下领域中大显身手：①要求比Si更快速度更高频率;②比Si噪声更低;③与Si同等速度但功耗更低;④Si所不能胜任的地方，如高温、抗辐射和光电集成等。

　　本文涉及的器件和电路，有的还只是雏型(如真空微电子器件和立体量子结构器件)，为了发挥这些器件的固有高性能，使之实现并达到实用化程度，除了在理论方面作更深入的探索研究外，加强超薄膜生长技术(MOCVD、MEB、ALE、CBE和MEE)等和超微细结构加工技术(纳米加工技术和多维量子化技术)的研究也是至关重要的。

　　相信在不久的将来，这些新型器件和1C将成长为更成熟的技术，在经济建设和国防建设中得到更广泛的应用。人们最终将会发现，他们投入的精力和财力并没有枉费。