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半导体材料是⼀类具有半导体性能（导电能⼒介于导体与绝缘体之间，电阻率约在1mΩ·cm～1GΩ·cm范围内）、可⽤来制作半导体器件和集成电路的电⼦材料。按种类可以分为元素半导体和化合物半导体两⼤类，元素半导体指硅、锗单⼀元素形成的半导体，化合物指砷化镓、磷化铟等化合物形成的半导体。随着⽆线通信的发展，⾼频电路应⽤越来越⼴，今天我们来介绍适合⽤于射频、微波等⾼频电路的半导体材料及⼯艺情况。
电磁跷跷板砷化镓GaAs
砷化镓的电⼦迁移速率⽐硅⾼5.7 倍，⾮常适合⽤于⾼频电路。砷化镓组件在⾼频、⾼功率、⾼效率、低噪声指数的电⽓特性均远超过硅组件，空乏型砷化镓场效晶体管(MESFET)或⾼电⼦迁移率晶体管(HEMT/PHEMT)，在3 V 电压操作下可以有80 %的功率增加效率(PAE: power addedefficiency)，⾮常的适⽤于⾼层(high tier)的⽆线通讯中长距离、长通信时间的需求。
砷化镓元件因电⼦迁移率⽐硅⾼很多，因此采⽤特殊的⼯艺，早期为MESFET ⾦属半导体场效应晶体管，后演变为HEMT ( ⾼速电⼦迁移率晶体管)，pHEMT( 介⾯应变式⾼电⼦迁移电晶体)⽬前则为HBT ( 异质接⾯双载⼦晶体管)。异质双极晶体管(HBT)是⽆需负电源的砷化镓组件，其功率密度(power density)、电流推动能⼒(current drive capability)与线性度(linearity)均超过FET，适合设计⾼功率、⾼效率、⾼线性度的微波放⼤器，HBT 为最佳组件的选择。⽽HBT 组件在相位噪声，⾼gm、⾼功率密度、崩溃电压与线性度上占优势，另外它可以单电源操作，因⽽简化电路设计及次系统实现的难度，⼗分适合于射频及中频收发模块的研制，特别是微波信号源与⾼线性放⼤器等电路。
砷化镓⽣产⽅式和传统的硅晶圆⽣产⽅式⼤不相同，砷化镓需要采⽤磊晶技术制造，这种磊晶圆的直径通常为4-6 英⼨，⽐硅晶圆的12 英⼨要⼩得多。磊晶圆需要特殊的机台，同时砷化镓原材料成本⾼出硅很多，最终导致砷化镓成品IC 成本⽐较⾼。磊晶⽬前有两种，⼀种是化学的MOCVD，⼀种是物理的MBE。
氮化镓GaN
液压增压阀在宽禁带半导体材料中，氮化镓（GaN）由于受到缺乏合适的单晶衬底材料、位错密度⼤等问题的困扰，发展较为缓慢，但进⼊90年代后，随着材料⽣长和器件⼯艺⽔平的不断发展，GaN半导体材料及器件的发展⼗分迅速，⽬前已经成为宽禁带半导体材料中耀眼的新星。
GaN半导体材料的应⽤⾸先是在发光器件领域取得重⼤突破的。1991年，⽇本⽇亚（Nichia）公司⾸先研制成功以蓝宝⽯为衬底的GaN蓝光发光⼆极管（LED），之后实现GaN基蓝、绿光LED的商品化。该公司利⽤GaN基蓝光LED和磷光技术，开发出了⽩光发光器件产品，具有⾼寿命、低能耗的特点。此外，还⾸先研制成功GaN基蓝光半导体激光器。
⽤GaN基⾼效率蓝绿光LED制作的超⼤屏幕全⾊显⽰，可⽤于室内室外各种场合的动态信息显⽰。⾼效率⽩光发光⼆极管作为新型⾼效节能固体光源，使⽤寿命超过10万⼩时，可⽐⽩炽灯节电5～10倍，
达到了节约资源、减少环境污染的双重⽬的。⽬前，GaN基LED的应⽤⼗分⼴泛，您每天都可能会见到它的⾝影，在交通信号灯⾥、彩⾊视频⼴告牌上、⼩孩的玩具中甚⾄闪光灯⾥。GaN 基LED的成功引发了光电⾏业中的⾰命。GaN基蓝光半导体激光器主要⽤于制作下⼀代DVD，它能⽐现在的CD光盘提⾼存储密度20倍以上。
利⽤GaN材料，还可以制备紫外（UV）光探测器，它在⽕焰传感、臭氧检测、激光探测器等⽅⾯具有⼴泛的应⽤。此外，在电⼦器件⽅⾯，利⽤GaN材料，可以制备⾼频、⼤功率电⼦器件，有望在航空航天、⾼温辐射环境、雷达与通信等⽅⾯发挥重要作⽤。例如在航空航天领域，⾼性能的军事飞⾏装备需要能够在⾼温下⼯作的传感器、电⼦控制系统以及功率电⼦器件等，以提⾼飞⾏的可靠性，GaN基电⼦器件将起着重要作⽤，此外由于它在⾼温⼯作时⽆需制冷器⽽⼤⼤简化电⼦系统，减轻飞⾏重量。
磷化铟InP
磷化铟是继硅和砷化镓之后⼜⼀重要的Ⅲ⼀V族化合物半导体材料，⼏乎在与锗、硅等第⼀代元素半导体材料的发展和研究的同时，科学⼯作者对化合物半导体材料也开始了⼤量的探索⼯作。
磷化铟(InP)作为⼀种新型半绝缘晶⽚，它的出现对于改善和提⾼InP基微电⼦器件的性能具有重要的意义。这种通过⾼温退⽕⼯艺所制备的半绝缘晶⽚既保持了传统原⽣掺铁衬底的⾼阻特性，同时铁浓度⼤幅降低，电学性质、均匀性和⼀致性显著提⾼。
⽬前半绝缘类型InP衬底的⽣产质量亟待改善和提⾼。原⽣半绝缘InP是通过在单晶⽣长过程中掺⼊铁原⼦来制备的。为了达到半绝缘化的⽬的，铁原⼦的掺杂浓度较⾼，⾼浓度的铁很可能会随着外延及器件⼯艺过程发⽣扩散。⽽且由于铁在磷化铟中的分凝系数很⼩，InP单晶锭沿⽣长轴⽅向表现出明显的掺杂梯度，顶部和底部的铁浓度相差⼀个数量级以上，由其切割成的单晶⽚的⼀致性和均匀性就很难保证。就切割成的单个InP晶⽚⽽⾔，由于受⽣长时的固液界⾯的影响，铁原⼦从晶⽚中⼼向外呈同⼼圆状分布，这显然也不能满⾜⼀些器件应⽤的需要。所有这些因素是⽬前制约半绝缘磷化铟单晶⽚⽣产质量的最⼤障碍。
最近⼏年国内外的研究表明，通过在⼀定⽓氛下⾼温退⽕处理低阻⾮掺杂InP晶⽚所获得的半绝缘衬底可以克服上述问题。在InP晶体中，半绝缘的形成机理⼤致可概括为两个⽅⾯：⼀是通过掺⼊深受主(元素)补偿浅施主来实现半绝缘态，原⽣掺铁的半绝缘磷化铟就属于这种情况；另⼀种是通过新缺陷
的形成使浅施主的浓度降低，同时驻留的深受主(元素)也发⽣补偿，⾮掺杂半绝缘磷化铟就属于这⼀类，这种新缺陷可以在⾼温退⽕以及辐照等过程中形成。根据这个思路，中科院半导体所的有关科研⼈员采取了三个步骤来制备⾮掺杂半绝缘磷化铟衬底：⾸先⽤液封直拉法拉制⾼纯低阻⾮掺杂磷化铟单晶(表⾯为低阻)，然后将其切割成⼀定厚度的晶⽚并封装在⽯英管内，最后在合适的⽓氛条件下进⾏⾼温退⽕处理。研究⼈员分别在纯磷⽓氛和磷化铁⽓氛下进⾏了数⼗次退⽕⽐较实验。经过对⽐测试和分析发现，在磷化铁⽓氛下退⽕制备的半绝缘磷化铟晶⽚不仅缺陷少，⽽且具有良好的均匀性。
为了进⼀步研究这种退⽕衬底对相邻外延层的实际影响，研究⼈员使⽤分⼦柬外延技术分别在原⽣掺铁的和磷化铁⽓氛退⽕制备的半绝缘磷化铟衬底上⽣长了相同的InAlAs外延层。测试结果表明后者更有利于⽣长具有良好结晶质量的外延层。此外对这两种衬底分别注⼊同样剂量的Si 离⼦和快速退⽕后，霍尔测试结果证实，后者可以较⼤幅度提⾼注⼊离⼦的激活效率。
磷化铟晶⽚常⽤于制造⾼频、⾼速、⼤功率微波器件和电路以及卫星和外层空间⽤的太阳能电池等。在当前迅速发展的光纤通信领域，它是⾸选的衬底材料。另外InP基器件在IC和开关运⽤⽅⾯也具有优势。这种新型半绝缘磷化铟晶⽚的研制成功，将在国防和⾼速通信领域发挥重要作⽤。中国电⼦科技集团第⼗三研究所使⽤这种新型半绝缘磷化铟纯磷衬底成功制作了⼯作频率达100GHz的⾼电⼦迁移率晶体管。
硅锗SiGe
弹性夹头
1980 年代IBM 为改进Si 材料⽽加⼊Ge，以便增加电⼦流的速度，减少耗能及改进功能，却意外成功的结合了Si 与Ge。⽽⾃98 年IBM 宣布SiGe 迈⼊量产化阶段后，近两、三年来，SiGe 已成了最被重视的⽆线通信IC 制程技术之⼀。
依材料特性来看，SiGe ⾼频特性良好，安全性佳，导热性好，⽽且制程成熟、整合度⾼，具成本较低之优势，换⾔之，SiGe 不但可以直接利⽤半导体现有200mm 晶圆制程，达到⾼集成度，据以创造经济规模，还有媲美GaAs 的⾼速特性。随着近来IDM ⼤⼚的投⼊，SiGe 技术已逐步在截⽌频率(fT)与击穿电压(Breakdown voltage)过低等问题获得改善⽽⽇趋实⽤。
⽬前，这项由IBM 所开发出来的制程技术已整合了⾼效能的SiGe HBT(Heterojunction Bipolar Transist
or)3.3V 及0.5µm 的CMOS 技术，可以利⽤主动或被动组件，从事模拟、RF 及混合信号⽅⾯的配置应⽤。
SiGe 既拥有硅⼯艺的集成度、良率和成本优势，⼜具备第3 到第5 类半导体(如砷化镓(GaAs)和磷化铟(InP))在速度⽅⾯的优点。只要增加⾦属和介质叠层来降低寄⽣电容和电感，就可以采⽤SiGe 半导体技术集成⾼质量⽆源部件。此外，通过控制锗掺杂还可设计器件随温度的⾏为变化。SiGe BiCMOS ⼯艺技术⼏乎与硅半导体超⼤规模集成电路(VLSI)⾏业中的所有新技术兼容，包括绝缘体硅(SOI)技术和沟道隔离技术。
不过硅锗要想取代砷化镓的地位还需要继续在击穿电压、截⽌频率、功率消耗⽅⾯努⼒。
RF CMOS
RF CMOS ⼯艺可分为两⼤类：体硅⼯艺和SOI（绝缘体上硅）⼯艺。由于体硅CMOS 在源和漏⾄衬底间存在⼆极管效应，造成种种弊端，多数专家认为采⽤这种⼯艺不可能制作⾼功率⾼线性度开关。与体硅不同，采⽤SOI ⼯艺制作的RF 开关，可将多个FET 串联来对付⾼电压，就象GAAS 开关⼀样。
尽管纯硅的CMOS 制程被认为仅适⽤于数字功能需求较多的设计，⽽不适⽤于以模拟电路为主的射频IC 设计，不过历经⼗⼏年的努⼒后，随着CMOS 性能的提升、晶圆代⼯⼚在0.25mm 以下制程技术的配合、以及⽆线通信芯⽚整合趋势的引领下，RF CMOS 制程不仅是学界研究的热门课题，也引起了业界的关注。采⽤RF CMOS 制程最⼤的好处，当然是可以将射频、基频与存储器等组件合⽽为⼀的⾼整合度，并同时降低组件成本。但是症结点仍在于RF CMOS 是否能解决⾼噪声、低绝缘度与Q 值、与降低改善性能所增加制程成本等问题，才能满⾜⽆线通信射频电路严格的要求。高分散白炭黑
⽬前已采⽤RF CMOS 制作射频IC 的产品多以对射频规格要求较为宽松的Bluetooth 与WLAN 射频IC，例如CSR、Oki、Broadcom 等Bluetooth 芯⽚⼚商皆已推出使⽤CMOS 制造的Bluetooth 传送器；英特尔公司宣布已开发出能够⽀持当前所有Wi-Fi 标准（802.11a、b和g）并符合802.11n 预期要求的全CMOS ⼯艺直接转换双频⽆线收发信机原型，包括了5GHz 的PA，并轻松实现了发送器与接收器功能的分离。⽽Atheros、Envara 等WLAN 芯⽚⼚商也在最近推出全CMOS 制程的多模WLAN(.11b/g/a)射频芯⽚组。
⼿机⽤射频IC 规格⾮常严格，但是坚冰已经被打破。Silicon Labs 最先以数字技术来强化低中频⾄基频滤波器及数字频道选择滤波器功能，以降低CMOS 噪声过⾼的问题所⽣产的Aero 低中频GSM/GPRS 芯⽚组，英飞凌⽴刻跟进，也⼤量推出RF CMOS ⼯艺的产品，⽽⾼通在收购Berkana 后，也⼤⼒采⽤RF CMOS ⼯艺，⼀批新进射频⼚家⽆⼀例外都采⽤RF CMOS ⼯艺，甚⾄是最先进的65 纳⽶RF CMOS ⼯艺。⽼牌的飞利浦、FREESCALE、意法半导体和瑞萨仍然坚持⽤传统⼯艺，主要是SiGe BiCMOS ⼯艺，诺基亚仍然⼤量使⽤意法半导体的射频收发器。⽽欧美⼚家对新产品⼀向保守，对RF CMOS 缺乏信任，但是韩国⼤⼚三星和LG 还有中国⼚家夏新和联想，在成本压⼒下，⼤量采⽤RF CMOS ⼯艺的收发器。⽬前来看，缺点可能是故障率稍⾼和耗电稍⼤，并且需要多块芯⽚，增加设计复杂程度。但仍在可忍受的范围内。
其他应⽤领域还包括汽车的安全雷达系统，包括⽤于探测盲区的24GHz 雷达以及⽤于提供碰撞警告或先进巡航控制的77GHz 雷达；IBM 在此领域具备领导地位，2005 年推出的第四代SIGE 线宽有0.13 微⽶。
Ultra CMOS
SOI 的⼀个特殊⼦集是蓝宝⽯上硅⼯艺，在该⾏业中通常称为Ultra CMOS。蓝宝⽯本质上是⼀种理想的绝缘体，衬底下的寄⽣电容的插⼊损耗⾼、隔离度低。Ultra CMOS 能制作很⼤的RF FET，对厚度为150~225µm 的正常衬底，⼏乎不存在寄⽣电容。晶体管采⽤介质隔离来提⾼抗闩锁能⼒和隔离度。为了达到完全的耗尽⼯作，硅层极薄⾄1000A。硅层如此之薄，以致消除了器件的体端，使它成为真正的三端器件。⽬前，Ultra CMOS 是在标准6 ⼨⼯艺设备上⽣产的，8 ⼨⽣产线亦已试制成功。⽰范成品率可与其它CMOS ⼯艺相媲美。
尽管单个开关器件的BVDSS 相对低些，但将多个FET 串联堆叠仍能承爱⾼电压。为了确保电压在器件堆上的合理分压，FET ⾄衬底间的寄⽣电容与FET 的源与漏间寄⽣电容相⽐应忽略不计。当器件外围达到毫⽶级使总电阻较低时，要保证电压的合理分压，真正的绝缘衬底是必不可少的。
铝酸钙粉Peregrine 公司拥有此领域的主要专利，采⽤Ultra CMOS ⼯艺将⾼Q 值电感和电容器集成在⼀起也很容易。线卷Q 值在微波频率下能达到50。超快速数字电路也能直接集成到同⼀个RF 芯⽚上。该公司推出PE4272 和PE4273 宽带开关例证了UltraCMOS 的⽤处(见图)。这两个75Ω器件设计⽤于数字电视、PC TV、卫星直播电视机顶盒和其它⼀些精⼼挑选的基础设施开关。采⽤单极双掷格式，它们是PIN ⼆极管开关的很好的替代品，它们可在改善整体性能的同时⼤⼤减少了元器件的数量。
两个器件1GHz 时的插⼊耗损仅为0.5dB、P1dB 压缩率为32dBm、绝缘度在1GHz 时⾼达44dB。两种器件在3V 时静态电流仅为8µA、ESD ⾼达2kV。PE4273 采⽤6 脚SC-70 封装，绝缘值为35dB。PE4272 采⽤8 脚MSOP 封装，绝缘值为44dB。10K 订购量时，PE4272 和
PE4273 的价格分别为0.45 和0.30 美元。
和Peregrine 公司有合作关系的⽇本冲电⽓也开发了类似产品，冲电⽓称之为SOS 技术，SOS技术是以"UTSi"为基础开发的技术。"UTSi"技术是由在2003 年1 ⽉与冲电⽓建⽴合作关系的美国派更半导体公司（Peregrine Semiconductor Corp.）开发的。在蓝宝⽯底板上形成单晶硅薄膜，然后再利⽤CMOS ⼯艺形成电路。作为采⽤具有良好绝缘性的蓝宝⽯的SOS 底板，与硅底板和SOI（绝缘体上硅）底板相⽐，能够降低在底板上形成的电路耗电量。冲电⽓开发的RF 开关的耗电电流仅为15µA（电源电压为2.5～3V），与使⽤GaAs 材料的现有RF 开关相⽐，耗电量降到了约1/5。
Si BiCMOS
以硅为基材的集成电路共有Si BJT(Si-Bipolar Junction Transistor)、Si CMOS、与结合Bipolar与CMOS 特性的Si BiCMOS(Si Bipolar Complementary Metal Oxide Semiconductor)等类。由于硅是当前半导体产业应⽤最为成熟的材料，因此，不论在产量或价格⽅⾯都极具优势。传统上以硅来制作的晶体管多采⽤BJT 或CMOS，不过，由于硅材料没有半绝缘基板，再加上组件本⾝的增益较低，若要应⽤在⾼频段操作的⽆线通信IC 制造，则需进⼀步提升其⾼频电性，除了要改善材料结构来提⾼组件的fT，还必须藉助沟槽隔离等制程以提⾼电路间的隔离度与Q 值，如此⼀来，其制程将会更为复杂，且不良率与成本也将⼤幅提⾼。
因此，⽬前多以具有低噪声、电⼦移动速度快、且集成度⾼的Si BiCMOS 制程为主。⽽主要的应⽤则以中频模块或低层的模块为主，⾄于对于低噪声放⼤器、功率放⼤器与开关器等射频前端组件的制造仍⼒有未逮。
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