用于VHF上的半導體技術

毫米波長范圍（30-300GHz）內除了其較低端外，還沒有很好地被利用。而在成像，安全，醫療，和短距離無線傳輸以及數據速率不斷提高的光纖傳輸中的新應用可能會迅速地改變這種狀態[1]，[2]。在過去的三十年里，III-V 技術（GaAs 和InP）已經逐漸擴大到這個毫米波范圍中。新近以來，由于工藝尺寸持續不斷地減小，硅技術已經加入了這個“游戲”。

在本文中，按照半導體特性和器件要求，對可用于100-GHz 和100-Gb/s 應用的半導體有源器件進行了綜述。隨后介紹了使用最廣泛的技術，接著是兩個不同方面具有競爭性的技術現狀：分頻器，來說明該技術適宜用在高速數字電路中，以及振蕩器，用來說明其在模擬電路應用中的性能。

材料和工藝的基本特性

半導體材料的特性

運行在很高頻率下的電子器件所表現的性能主要與：1)組成半導體的材料特性和2)器件的結構有關[3]。Si，GaAs 和InP 是目前具有截止頻率在300GHz 及以上的器件所選擇的材料。在表1，人們給出了一些相關的表征能隙，載流子輸運特性和導熱性的參數。同樣也報道了與InP，GaN 和InAs 晶格相匹配的InGaAs 的特性。

擁有一個足夠大能隙（Eg>1eV ）是很有利的，這是因為它可以提供好的擊穿特性。Si，GaAs 和InP 在100nm 實際上可以承受幾伏的電壓水平；此外，p-n 結顯示出很明晰的整流行為，室溫下的泄漏電流可以忽略不計。采用GaN 可以獲得更高的擊穿電壓，InAs 因為其能隙很低而只能用于電壓很低的器件。

III-V 材料中的電子遷移率比硅的要大，這意味著在給定的摻雜濃度下，n-型接觸區具有較低的串聯電阻，而對于p-型 區來說，由于III-V 材料較低的空穴遷移率，情況則恰恰相反。然而，在器件的高場強區控制跨導和渡越時間的載流子速度與取決于載流子類型的飽和漂移速度相接近（Vsat 或Vsath′取決于載流子的類型；接近于10nm/ps）。由于暫態效應（電子從導帶中的低能級，高遷移率能谷到達較高能級，較低遷移率能谷的轉換不是瞬間發生的），電子的傳輸通常會受益于一些過沖量；例如，根據具有薄集電極的InP異質結雙極性晶體管（HBT）的基極到集電極的渡越時間所推導出的有效速度大于3×107cm/s，大約是飽和速度的5 倍[5]。

甚高頻率性能意味著較短的渡越時間和較低的RC寄生量；對于場效應管（FET）和雙極性晶體管來說，這通?？梢酝ㄟ^減小電子器件的尺寸和提高電流密度來實現（例如，見[6]）。對于極高頻器件和電路來說，熱導率則成為一個重要的參數，硅在與其III-V 技術的對手相比時，其所具有的良好的導熱性便成為一個真正的優勢，因為這有可能達到更高的器件密度。

基于III-V 技術的早期單片微波集成電路（MMIC）的主要優點之一要歸因于未摻雜（或補償）基片的半絕緣特性，這是與其大的半導體能隙直接相關的（基片的電阻率為108Ω.cm 的數量級，而硅的電阻率為104Ω.cm）。這使得可以實現具有低關聯寄生效應的電阻，電感和傳輸線。隨著近來巨大的微波應用市場的開發（例如，移動電話網絡），在硅基技術上引入無源器件這方面已經取得了很大的進展。此外，絕緣體加載硅基片技術（SOI）已經展示出其降低寄生效應的潛力（然而，這是以較低的基片導熱率為代價的）。

服務于高頻應用的FET 和雙極性晶體管

今天，適用于高頻應用的雙極性晶體管和FET 是基于異質結結構的（除了是硅基MOSFET 以外）。對異質結的開發已經有40 多年了，并且在材料和晶格應力方面還在不斷地發展著。兩種不同材料（具有同樣的晶體結構和同樣的晶格參數）之間的異質結主要是由它們的能隙差異，以及由這種差異所區分的導帶和價帶的階躍方式來表征的（表2）。在晶體管的有源區，異質結被用來達到兩個不同的目的：

? 不論它們各自的摻雜濃度如何，保證雙極性晶體管中從發射極向基極注入的是電子占主導地位的載流子
? 在高電子遷移率晶體管（HEMT）中將電子局限在未摻雜的量子肼中。

雖然最初是針對晶格匹配異質結來實施的，但很快就顯示出用在失配異質結中也可以增強性能，條件是應力結晶層是在假晶厚度的極限內（如果生長層足夠薄，其晶格常數會調整到基片的晶格常數）。這種特性被用在HBT 中（例如漸變組分的方法，graded-composition）來生成具有短的渡越時間的基極層，以及高遷移率HEMT 的溝道層。在臨界厚度以上，（失配程度越高，層厚就越?。?，生長層松弛下來，在晶體結構中便會出現晶格脫位。這種現象仍然可以被用來在基片的頂部生成具有不同晶格參數的高質量晶體層，在中間有一個過渡層（緩沖層）來俘獲大多數的脫位。例如，這種結構可以在被稱為改性（metamorphic）HEMT 中找到，在松弛緩沖層之上又生長了一層高質量的活性異質結構。特別是，變性結構允許采用極高遷移率的InAs 溝道[7]，[8]。