硅王国在被蚕食

硅半导体长期以来一直是成本和效能的折衷选择，用硅做芯片成本低，但也有不足，尤其在高速和高灵敏度设计中更为明显。

GaAs是一种有吸引力的材料，能生产更快的电路，因为它的电子迁移率要高得多。妨碍GaAs等挑战者发展的唯一问题是成本，由于制造费用相对昂贵，尽管作了许多努力，GaAs仍不能取代硅的统治地位，只是在硅性能所不能达到的场合有一些应用。

现在有许多新竞争者希望能够蚕食硅的王国。转向新材料的动力来自大功率射频器件和光电产品，由于存在间接带隙使利用硅材料来生产高效发光二极管(LED)和激光器非常棘手。在实验室里有一些硅发光的成果，但到目前尚未到达商品生产阶段。

在硅材料中添加另一种半导体材料以改善硅晶体管和电路的性能是一种途径，SiGe就是最普遍的新材料。

SiGe可以在硅圆片上外延生长，这将允许工艺设计师们用传统的硅工艺技术控制带隙、能带结构、有效质量、电子迁移率和众多其它特性。

美国Atmel公司、IBM公司、加拿大的SiGe Microsystems 公司、奥地利Mikro Systeme 公司等已具备批生产SiGe的工艺。上个月IBM公司宣布了一项倡议，鼓励全世界的公司和大学开发新型SiGe通信用芯片。IBM公司的无线产品部主任Kenneth Torino说：“通过帮助更多的公司和大学比较容易地采用这项技术做原型设计，我们打算为现在和未来的用户建立一个坚实的IBM公司SiGe技术基础。”

问题已不在于SiGe是否会是未来的半导体材料，而在于如何以最经济、有效的方式利用。在2001年射频电路技术研讨会上，Saul Research 的Peter Saul教授对两种商用SiGe工艺各自在无线电系统的优势进行了评价。一种是以CMOS工艺为基础的SiGe双极器件，另一种是纯双极的高性能器件。Peter Saul教授认为：“结论尚不明晰，每一种方式都有其相对优势。BICMOS方式达到低噪声放大器、除法器和电压控制振荡器3GHz以上频率工作，有可能实现芯片上系统集成，但与双极方法的结果相比，性能却受到影响。”

其它的混合物对模拟电路设计也具有吸引力。像氮化镓（GaN)和碳化硅(SiC)等宽带隙材料是新生力量。这些材料的研究受到大功率器件需求的驱动，基站、通信链路和相控阵等技术应用都得益于高功率、高性价比器件。

GaAs和有关的化合物材料从绝对功率来讲已经到达饱和水平，提高的唯一途径是与其它化合物结合，这将使制造成本提高，但新材料的饱和点要高很多。

SiC和GaN能经受喷气式发动机产生的高温，在极冷的外层空间能够坚持较长时间，并能发射出其它材料发不出的强光。

在工程师们寻找使用新材料的最佳途径同时，许多器件已经被制造出来。SiC和 SiC:Ge 异质结构双极晶体管(HBT)已经被一个研究小组制造出来，得出的结论是，在基极加锗可以将管子的电流增益和厄尔利电压提高33%。这一改善可归因于能带补偿，从而提高了发射极-基极载流子注入效率。

有关这些新材料在射频器件方面的潜力成为2001年射频电路技术研讨会的主题。有些同意这样的观点，器件和电路工程关注宽禁带材料的主要原因是它们的特性，像高击穿电场、高载流子速率、高热导率、高工作温度、中等介电常数、压电特性和它们允许禁带工程。研讨会上，由独立研究所得出的最出人意料的结果是：GaN器件有相对较低的噪声。但这些材料也有不足，还需要在材料生长、可靠性和封装方面做大量研究。

装配工艺也需要重新考虑，因为传统的芯片装配技术通常采用焊接或环氧树脂粘接。这些工艺在装配新材料制造的器件时会引起新问题，因为这些器件在比硅高得多的温度下工作，焊料会熔化，环氧树脂会烧掉。

生长GaN看来是主要障碍，因为目前它必需在其它的衬底上生长。低成本、大批量生产方法将使这种材料更有吸引力。

有人认为，宽禁带技术在大功率固态器件方面有很大潜力，用这种技术制造的放大器性能超过了GaAs 器件，不出三年，GaN放大器就能商品化。GaAs器件由于成本过高在市场上还没有达到所期望的份额，这也是GaN器件所要面对的大问题。■(李应选)