硅王國在被蠶食

硅半導(dǎo)體長期以來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(shè)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(zhàn)者發(fā)展的唯一問題是成本，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(tǒng)治地位，只是在硅性能所不能達(dá)到的場合有一些應(yīng)用。

現(xiàn)在有許多新競爭者希望能夠蠶食硅的王國。轉(zhuǎn)向新材料的動力來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生產(chǎn)高效發(fā)光二極管(LED)和激光器非常棘手。在實驗室里有一些硅發(fā)光的成果，但到目前尚未到達(dá)商品生產(chǎn)階段。

在硅材料中添加另一種半導(dǎo)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，這將允許工藝設(shè)計師們用傳統(tǒng)的硅工藝技術(shù)控制帶隙、能帶結(jié)構(gòu)、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。上個月IBM公司宣布了一項倡議，鼓勵全世界的公司和大學(xué)開發(fā)新型SiGe通信用芯片。IBM公司的無線產(chǎn)品部主任Kenneth Torino說：“通過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(shè)計，我們打算為現(xiàn)在和未來的用戶建立一個堅實的IBM公司SiGe技術(shù)基礎(chǔ)。”

問題已不在于SiGe是否會是未來的半導(dǎo)體材料，而在于如何以最經(jīng)濟(jì)、有效的方式利用。在2001年射頻電路技術(shù)研討會上，Saul Research 的Peter Saul教授對兩種商用SiGe工藝各自在無線電系統(tǒng)的優(yōu)勢進(jìn)行了評價。一種是以CMOS工藝為基礎(chǔ)的SiGe雙極器件，另一種是純雙極的高性能器件。Peter Saul教授認(rèn)為：“結(jié)論尚不明晰，每一種方式都有其相對優(yōu)勢。BICMOS方式達(dá)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，有可能實現(xiàn)芯片上系統(tǒng)集成，但與雙極方法的結(jié)果相比，性能卻受到影響。”

其它的混合物對模擬電路設(shè)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(qū)動，基站、通信鏈路和相控陣等技術(shù)應(yīng)用都得益于高功率、高性價比器件。

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

SiC和GaN能經(jīng)受噴氣式發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的高溫，在極冷的外層空間能夠堅持較長時間，并能發(fā)射出其它材料發(fā)不出的強(qiáng)光。

在工程師們尋找使用新材料的最佳途徑同時，許多器件已經(jīng)被制造出來。SiC和 SiC:Ge 異質(zhì)結(jié)構(gòu)雙極晶體管(HBT)已經(jīng)被一個研究小組制造出來，得出的結(jié)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(bǔ)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)研討會的主題。有些同意這樣的觀點，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、高載流子速率、高熱導(dǎo)率、高工作溫度、中等介電常數(shù)、壓電特性和它們允許禁帶工程。研討會上，由獨立研究所得出的最出人意料的結(jié)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、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(tǒng)的芯片裝配技術(shù)通常采用焊接或環(huán)氧樹脂粘接。這些工藝在裝配新材料制造的器件時會引起新問題，因為這些器件在比硅高得多的溫度下工作，焊料會熔化，環(huán)氧樹脂會燒掉。

生長GaN看來是主要障礙，因為目前它必需在其它的襯底上生長。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(rèn)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器件由于成本過高在市場上還沒有達(dá)到所期望的份額，這也是GaN器件所要面對的大問題?！?李應(yīng)選)