砷化镓半导体简介

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进入八十年代以来,美、日等发达国家围绕以计算机为中心的高技术领域展开了一系列的角逐。其中又以砷化镓半导体技术为一竞争热点。

为什么砷化镓技术会发展成一大热门?究其原因可归结到这种材料本身的性能上。砷化镓的确在若干方面具有锗、硅之类半导体无法比拟的良好物理性能。借助于现代的半导体制造技术,砷化镓的性能可望在高技术领域中发挥作用,并可从多方面取代硅的位置,这显然对于未来的电子工业影响极大,同时还涉及到重要的军事应用。砷化镓作为半导体材料的优良之处可简介如下。

首先,砷化镓是一种制造高效发光器件(红外光源和高效激光器)的重要材料。以它为材料制成的P-N结在施加正向偏置电压后具有较强的光子发射特性。当注入的电流加大到阈值后即产生激光振荡,可发射激光束。这一特性是锗、硅材料所不具备的,这就使得砷化镓在光通信等领域作为半导体激光材料具有很好的应用前景。

其次,砷化镓又是制造微波、高速器件的半导体材料。砷化镓是具有高迁移率的半导体,其载流子迁移率比硅材料高出数倍以上。利用这一特性制成的砷化镓微波场效应晶体管,是研制卫星广播与接收设备的关键器件,其工作频率是锗、硅半导体材料无法胜任的。同理,对于开发大型计算机来讲,提高运算速度必须采用更高速的器件。在目前硅器件的运用速度已接近极限的状况下,开发砷化镓高速集成电路不失为一良策。

砷化镓半导体的再一显著优点是,用它制成的高速开关器件无论在低温冷却或室温下均能保持良好性能。因此,它比超低温条件工作的约瑟夫逊器件具有更宽的应用范围。

在其它方面,如噪声、功耗及抗辐射性能方面,砷化镓的性能均优于硅半导体。

砷化镓的特点虽然早就引起了人们的重视,但是由于早期的制造技术无法完全解决砷化镓的质量问题而进展缓慢。近年来,砷化镓技术开始崛起。日本首先制成砷化镓晶体管,美国贝尔实验室又制成了高电子迁移率晶体管(HEMT),之后出现了砷化镓集成电路(265比特静态RAM芯片,在2.3毫米见方的晶片上集成2072/只HEMT,它在环境温度为-196℃时存取时间为1.5毫微秒)。目前,4K静态存储器已制成,16KSRAM也在开发之中。在此基础上,美、日等国均开发了不少新颖的高频、高速砷化镓集成电路器件,展现了砷化镓应用的光辉前景。(刘贵明)