硅王國在被蠶食

硅半導體長(cháng)期以來(lái)一直是成本和效能的折衷選擇，用硅做芯片成本低，但也有不足，尤其在高速和高靈敏度設計中更為明顯。

GaAs是一種有吸引力的材料，能生產(chǎn)更快的電路，因為它的電子遷移率要高得多。妨礙GaAs等挑戰者發(fā)展的唯一問(wèn)題是成本，由于制造費用相對昂貴，盡管作了許多努力，GaAs仍不能取代硅的統治地位，只是在硅性能所不能達到的場(chǎng)合有一些應用。

現在有許多新競爭者希望能夠蠶食硅的王國。轉向新材料的動(dòng)力來(lái)自大功率射頻器件和光電產(chǎn)品，由于存在間接帶隙使利用硅材料來(lái)生產(chǎn)高效發(fā)光二極管(LED)和激光器非常棘手。在實(shí)驗室里有一些硅發(fā)光的成果，但到目前尚未到達商品生產(chǎn)階段。

在硅材料中添加另一種半導體材料以改善硅晶體管和電路的性能是一種途徑，SiGe就是最普遍的新材料。

SiGe可以在硅圓片上外延生長(cháng)，這將允許工藝設計師們用傳統的硅工藝技術(shù)控制帶隙、能帶結構、有效質(zhì)量、電子遷移率和眾多其它特性。

美國Atmel公司、IBM公司、加拿大的SiGe Microsystems 公司、奧地利Mikro Systeme 公司等已具備批生產(chǎn)SiGe的工藝。上個(gè)月IBM公司宣布了一項倡議，鼓勵全世界的公司和大學(xué)開(kāi)發(fā)新型SiGe通信用芯片。IBM公司的無(wú)線(xiàn)產(chǎn)品部主任Kenneth Torino說(shuō)：“通過(guò)幫助更多的公司和大學(xué)比較容易地采用這項技術(shù)做原型設計，我們打算為現在和未來(lái)的用戶(hù)建立一個(gè)堅實(shí)的IBM公司SiGe技術(shù)基礎。”

問(wèn)題已不在于SiGe是否會(huì )是未來(lái)的半導體材料，而在于如何以最經(jīng)濟、有效的方式利用。在2001年射頻電路技術(shù)研討會(huì )上，Saul Research 的Peter Saul教授對兩種商用SiGe工藝各自在無(wú)線(xiàn)電系統的優(yōu)勢進(jìn)行了評價(jià)。一種是以CMOS工藝為基礎的SiGe雙極器件，另一種是純雙極的高性能器件。Peter Saul教授認為：“結論尚不明晰，每一種方式都有其相對優(yōu)勢。BICMOS方式達到低噪聲放大器、除法器和電壓控制振蕩器3GHz以上頻率工作，有可能實(shí)現芯片上系統集成，但與雙極方法的結果相比，性能卻受到影響。”

其它的混合物對模擬電路設計也具有吸引力。像氮化鎵（GaN)和碳化硅(SiC)等寬帶隙材料是新生力量。這些材料的研究受到大功率器件需求的驅動(dòng)，基站、通信鏈路和相控陣等技術(shù)應用都得益于高功率、高性?xún)r(jià)比器件。

GaAs和有關(guān)的化合物材料從絕對功率來(lái)講已經(jīng)到達飽和水平，提高的唯一途徑是與其它化合物結合，這將使制造成本提高，但新材料的飽和點(diǎn)要高很多。

SiC和GaN能經(jīng)受?chē)姎馐桨l(fā)動(dòng)機產(chǎn)生的高溫，在極冷的外層空間能夠堅持較長(cháng)時(shí)間，并能發(fā)射出其它材料發(fā)不出的強光。

在工程師們尋找使用新材料的最佳途徑同時(shí)，許多器件已經(jīng)被制造出來(lái)。SiC和 SiC:Ge 異質(zhì)結構雙極晶體管(HBT)已經(jīng)被一個(gè)研究小組制造出來(lái)，得出的結論是，在基極加鍺可以將管子的電流增益和厄爾利電壓提高33%。這一改善可歸因于能帶補償，從而提高了發(fā)射極-基極載流子注入效率。

有關(guān)這些新材料在射頻器件方面的潛力成為2001年射頻電路技術(shù)研討會(huì )的主題。有些同意這樣的觀(guān)點(diǎn)，器件和電路工程關(guān)注寬禁帶材料的主要原因是它們的特性，像高擊穿電場(chǎng)、高載流子速率、高熱導率、高工作溫度、中等介電常數、壓電特性和它們允許禁帶工程。研討會(huì )上，由獨立研究所得出的最出人意料的結果是：GaN器件有相對較低的噪聲。但這些材料也有不足，還需要在材料生長(cháng)、可靠性和封裝方面做大量研究。

裝配工藝也需要重新考慮，因為傳統的芯片裝配技術(shù)通常采用焊接或環(huán)氧樹(shù)脂粘接。這些工藝在裝配新材料制造的器件時(shí)會(huì )引起新問(wèn)題，因為這些器件在比硅高得多的溫度下工作，焊料會(huì )熔化，環(huán)氧樹(shù)脂會(huì )燒掉。

生長(cháng)GaN看來(lái)是主要障礙，因為目前它必需在其它的襯底上生長(cháng)。低成本、大批量生產(chǎn)方法將使這種材料更有吸引力。

有人認為，寬禁帶技術(shù)在大功率固態(tài)器件方面有很大潛力，用這種技術(shù)制造的放大器性能超過(guò)了GaAs 器件，不出三年，GaN放大器就能商品化。GaAs器件由于成本過(guò)高在市場(chǎng)上還沒(méi)有達到所期望的份額，這也是GaN器件所要面對的大問(wèn)題?！?李應選)