GaAs材料
砷化鎵 GaAs
是Ⅲ-Ⅴ族元素化合的化合物，黑灰色固體，熔點1238℃。它在600℃以下，能在空氣中穩定存在，並且不為非氧化性的酸侵蝕。砷化鎵可作半導體材料，其電子遷移率高、介電常數小，能引入深能級雜質、電子有效質量小，能帶結構特殊，可作磊晶片。
由於傳送訊號的射頻元件需要工作頻率高、低功率消耗、低雜訊等特色，而砷化鎵本身具有光電特性與高速，因此砷化鎵多用於光電元件和高頻通訊用元件。砷化鎵可套用在WLAN、WLL、光纖通訊、衛星通訊、LMDS、VSAT等微波通訊上。不過，砷化鎵材料成本較高，使用的製程設備也與一般IC業者常用的矽製程設備不同。
砷化鎵材料是繼矽單晶之後第二代新型化合物半導體材料中最重要、用途最廣泛的材料之一。在微電子和光電子領域有著巨大的套用空間，主要用於製作高速、高頻、大功率等微電子器件和電路，隨著IT行業的發展，市場空間不斷擴大。在光電子領域，隨著全球LED市場突飛猛進的發展，在世界半導體固態照明大趨勢的引領下，砷化鎵晶片的需要已經開始大幅增加。隨著科學技術的不斷發展，砷化鎵材料將有更加廣泛的用途。
砷化鎵材料在世界已開發國家均被視為戰備儲備物資，美、英、法、俄、日、德等國家都對砷化鎵材料的開發套用投入了巨資，尤其美國還將砷化鎵材料的生產套用技術列入國防白皮書，從而對美國國防技術起到了重要作用。在現代軍備技術中，幾項關鍵技術均與砷化鎵材料有直接關係。例如，機載相控雷達、戰術紅外線夜視鏡，抗輻射電子元件，紅外線雷射導航、紅外線雷射瞄準儀等。
以砷化鎵化合物半導體材料為代表的新型信息功能材料已經列入國家高科技優先發展目錄，信息功能已成為國家鼓勵發展產業。
http://baike.baidu.com/view/1458121.htm
GaAs材料套用
由於砷化稼擁有高頻、低噪聲與高電子遷移率的物理特性, 砷化稼微波器件技術最初是套用在國防、太空科技及人造衛星通訊方面, 由於無線通訊的需求量不斷成長, 砷化稼微波器件現已廣泛普及到一般的商業用途, 例如在手機功率放大器、計算機產品、工業套用及無線電通信等方面。未來砷化稼微波器件套用衛星通訊晶片、智慧型型交通運輸系統及智慧型型家庭網路等領域更有無限的商機。砷化稼器件具備高電子遷移率約是的倍、高飽和漂流速度、半絕緣性基板亦即低寄生電容, 因此可以做成高速器件。電子的遷移速率一般而言會受到溫度而改變, 環境溫渡過高時, 遷移速率會降低, 而砷化稼材料的操作溫度範圍最高可達攝氏度, 不易因高頻所產生的熱能而影響到產品的功能及可靠性。砷化稼並具極佳的抗輻射性, 不易產生信號錯誤 。因此所製造出來的產品可靠性相對提高, 其穩定性並可解決衛星通訊時暴露於太空中所招致的輻射問題。
目前砷化稼在通訊套用中以手機的套用所占比率最高, 手機內部結構主要可分為基帶、中頻及射頻。高頻
通訊信號自天線接收後, 首先經過射頻電路處理,射頻電路主要器件包含功率放大器、低噪聲放大器、雙工、聲波表面濾波器等, 因為需直接接觸高頻信號, 這也是行動電話結構中砷化稼最能著墨的地方。但近來因矽的技術成熟介人, 而使得砷化稼在射頻比例逐漸下降, 但在的套用上仍是以砷化稼為主要製造材料。近年來由於無線通訊迅速的發展, 許多中國台灣地區廠商相繼投人一族半導體砷化稼產業,基於中國台灣地區過去在矽製造工藝成功的經驗, 業者莫不希望能繼矽半導體後, 砷化稼產業能成為中國台灣地區另一波製造業的高峰,此乃因為二者同為產業, 在工藝技術方面, 有些矽製造工藝的技術及設備可以直接轉移到砷化稼製造工藝上, 而中國台灣地區在矽產業製造工藝上已有雄厚的基礎。雖是如此, 但是由於材料不同的關係, 導致磊晶成長方式、黃光、蝕刻、金屬化製造工藝以及後段背面處理等工藝技術, 皆不盡相同。
GaAs材料製造工藝
1.主動層的形成
由於目前砷化稼器件市場定位以高性能特性取勝, 因此器件皆以異質接面方式成長為主, 以求達到最佳的器件功能, 目前器件以理及為市場主流, 主要都是以磊晶成長方式完成。在磊晶方面, 由於砷化稼器件特性取決於磊晶層的
品質的好壞, 所以需要成長出品質非常好的磊晶層, 才能得到良好的器件特性。而要成長出良好的砷化稼磊晶品質, 目前最普遍的是以或等方式成長, 因為這些方式可以精準的控制磊晶純度、厚度、摻雜濃度、元素成分, 且有平整的薄膜表面, 及良好的異質接面特性, 並且有效的降低缺陷集成度。而矽製造工藝目前主要以離子布植形成主動層, 即使是有磊晶成長, 皆是以為主, 並無精確控制其接口成分的必要性。另外目前新興以矽鍺材料為主的製造工藝, 其磊晶成長主要以技術為主, 成長時需在工藝技術中使用選擇性成長方式以便與技術集成, 因此並無像砷化稼磊晶一般有專業代工廠成長磊晶層。
2.微影製造工藝
在一般微影製造工藝方面, 砷化稼也有很多和矽製造工藝不同的地方, 目前砷化稼代工以英寸及英寸較多, 大部分工藝技術是使用步進機來曝光形成高解析度的圖案, 而有少數幾層製造工藝, 如的巧微米以下的門極製造工藝, 是使用電子束微影工藝技術, 此外半導體後段背面處理工藝技術, 則是使用接觸式曝光機助完成。在光源方面, 目前砷化稼是使用一的燈源, 而在矽廠商中小線寬工藝技術使用的深紫外線光源, 由於目前造價昂貴, 且砷化稼小線寬需求量不是很大,因此一般砷化稼廠商很少使用此光源。在半導體載具方面, 目前矽基板最大尺寸為英寸, 而砷化稼最大只有英寸, 且由於砷化稼半導體較矽半導體易碎, 所以機台在自動置人砷化稼半導體時,移動速度需要較慢, 才不會導致砷化稼晶片碎裂,因此雖然砷化稼使用的一步進機大致與矽使用者相同, 機台的載具仍需經過特殊改裝。由於砷化鑲目前只有英寸廠, 因此步進機大半都是選購矽英寸廠舊機器改裝。在光學微影部分, 最特別的是砷化稼器件中的門極金屬, 基於器件功能要求線寬須小於微米, 同時需形成型門極以降低電阻, 所以需要用到電子束一微影技術。電子束微影系統的優點在於可以曝出非常精準、高解析度及尺寸很小的線寬, 約小於巧微米, 同時重複性及正品率皆高, 但是缺點為機台造價昂貴且量產速度較慢。由於砷化稼目前只有這一道門極製造工藝需要用到電子束微影系統,所以較不會影響到產能。在電子束微影光阻選擇方面, 一般是使用系列, 通常需使用多層光阻製造工藝, 以達到小線寬、型門極、掀離。
3.蝕刻工藝技術
砷化稼製造工藝中有乾式蝕刻和濕式蝕刻,其中濕式蝕刻套用在一些砷化稼材料本身的蝕刻上, 為製造工藝上極為關鍵的步驟。砷化稼濕式蝕刻基本上有非等方向的本質, 其使用的蝕刻化學溶液和矽製造工藝不同, 如矽是使用
硝酸與氫氟酸的混合溶液來進行蝕刻, 而砷化稼可以用磷酸、雙氧水與水的混合溶液蝕刻。比較特別的是, 由於砷化稼為二元化合物, 在不同面蝕刻後形狀會不一樣, 隨著不同平面、不同方向、不同溶液侵蝕, 蝕刻後的形狀可能為字型, 亦可能為底切形狀。不同形狀對金屬導線連線會有影響, 例如跨平台端的導線是底切那面的話,就會發生斷線問題, 另外不同的蝕刻後平面形狀對器件的電性也會有影響, 所以在光罩金屬線路設計上, 需要特別注意蝕刻的非等方向性。在乾式蝕刻方面, 一般矽在製造過程中會蝕刻材料層矽、氧化層、介電層和金屬等材料, 而砷化稼器件製造工藝中的乾式蝕刻主要是以一族半導體材料、介電層和光阻等為主, 一般金屬並不以乾式侵蝕。而使用的機台和矽製造工藝類似,通常普遍使用的設備為活性離子反應器, 和感應禍合式電漿蝕刻機, 等, 蝕刻不同材料時所用的反應氣體不同, 如矽製造工藝中要蝕刻矽或是二氧化矽時, 使用四氟化碳凡和氧氣, 而砷化稼製造工藝中蝕刻砷化稼使用三氯化硼或六氟化硫凡等, 蝕刻光阻則使用氧氣電漿其中孔洞一蝕刻及氮化稼材料蝕刻時需要較高的蝕刻速率,通常以蝕刻為主。在砷化稼和器件製造工藝中, 需要有門極蝕刻工藝技術, 可以減少門極和源極間電阻,並且增加器操作時的崩潰電壓, 但此製造工藝需要準確的控制蝕刻深度及蝕刻後表面的平整度, 臨界電壓才會平均, 也不會有表面狀態而造成漏電流及電流無法截止的狀況, 矽並沒有此門極蝕刻製造工藝。此製造工藝目前可使用乾式和濕式蝕刻的方式來蝕刻門極, 濕式蝕刻不會造成表面材料的傷害, 但是整片蝕刻深度不均勻, 且再現性較差、較不穩定, 目前解決辦法可以在中間多成長一層蝕刻停止層, 可以有效的控制蝕均勻刻深度。而乾式蝕刻雖有較佳的選擇性侵蝕, 可以均勻的控制蝕刻深度, 並且再現性較高, 但是有可能造成表面的傷害和污染, 目前可以在乾式蝕刻加溶液稍濕式蝕刻, 以減少表面傷害, 並得較佳的侵蝕均勻度。而砷化稼器件中, 對表面狀態較不敏感
的低噪聲放大器,可以使用乾式蝕刻來蝕刻門極, 因為器件信道層在磊晶層內, 對表面狀態較不影響, 而用在高功率的, 對器件表面狀態較敏感, 所以必須使用濕式蝕刻。
GaAs技術的發展現狀與趨勢
GaAs 高電子遷移率電晶體(GaAs HEMT)結構獨特，且具有高功率增益、高效率、低功耗等特點，其工藝和GaAs 金屬半導體場效應電晶體（MESFET）兼容， 因此，HEMT器件將逐漸取代MESFET，在微波毫米波功率套用中越來越引人注目，其中贗配高電子遷移率電晶體（PHEMT）的表現尤為特殊，特別是90年代採用平面摻雜和雙GaAs HEMT摻雜對PHEMT電子提供層進行了改進，使得PHEMT在功率方面又上一個台階，已成為微波毫米波功率套用的主流。但由於GaAs MESFET器件工藝均比其他器件更為成熟，所以目前和今後一段時期內，在5～30GHz範圍的功率套用中，仍以GaAs功率MESFET為首選器件。目前GaAs功率MESFET的研究開發工作仍在向縱深方向發展，即高頻率、高功率、高可靠性、寬頻化。
GaAs 異質結雙極電晶體（GaAs HBT）不僅其頻率、速度特性優於Si雙極電晶體，而與GaAs FET比，又具有跨導高、 輸出電導低、電流處理能力強等特點，因此很適合微波毫米波功率套用。近幾年來HBT取得很大進展，用各種材料製作的HBT不斷湧現，性能不斷提高，套用範圍已由民用擴展到軍事領域。為了達到高可靠和小型化的目的，將來有必要對現行的行波管進行固態化，而具有高功率密度的HBT很適合大功率要求。目前，對HBT套用在X-K波段（8～26GHz）的需求日益增長，由於它具有高功率密度、高工作電壓、高效率以及高線性度，使其成為替代以往在此頻帶內的射頻功率行波管的最佳候選。 HBT的體積小、成本低，成為衛星通信系統中極具優勢器件。
GaAs在無線通訊方面具有眾多優勢。砷化鎵晶片與矽晶片主要差別，在於它是一種“高頻”傳輸使用的晶片，由於其頻率高，傳輸距離遠，傳輸品質好，可攜帶信息量大，傳輸速度快，耗電量低，適合傳輸影音內容，符合現代遠程通訊要求。一般訊息在傳輸時，因為距離增加而使所能接收到的訊號越來越弱，產生“聲音不清楚”甚至“收不到信號”的情形，這就是功率損耗。砷化鎵晶片的最大優點，在於傳輸時的功率損耗比矽晶片小很多，成功克服訊號傳送不佳的障礙。
目前2英寸和3英寸的SI-GaAs在國外工業生產中已不使用，4英寸的SI-GaAs已形成高技術產業，可大規模生產，並進入主流的套用領域。為提高 GaAs MMIC的性能價格比，開發民用市場，研製更大直徑優質的SI-GaAs材料已成為目前國際發展的明顯趨勢。2001年美國在6英寸SI- GaAs的研製方面有比較大的突破，重點解決了長期以來困擾著人們的應力問題，從而促進了6英寸SI-GaAs商品化進程，進一步推動了 GaAs MMIC的市場發展。
