半導體材料是一類具有半導體性能(導電能力介于導體與絕緣體之間，電阻率約在 1mΩ·cm～1GΩ·cm 范圍內)、可用來制作半導體器件和集成電路的電子材料。按種類可以分為元素半導體和化合物半導體兩大類，元素半導體指硅、鍺單一元素形成的半導體，化合物指砷化鎵、磷化銦等化合物形成的半導體。隨著無線通信的發展，高頻電路應用越來越廣，今天我們來介紹適合用于射頻、微波等高頻電路的半導體材料及工藝情況。
砷化鎵 GaAs
砷化鎵的電子遷移速率比硅高 5.7 倍，非常適合用于高頻電路。砷化鎵組件在高頻、高功率、高效率、低噪聲指數的電氣特性均遠超過硅組件，空乏型砷化鎵場效晶體管(MESFET)或高電子遷移率晶體管(HEMT/PHEMT)，在 3 V 電壓操作下可以有 80 %的功率增加效率(PAE: power addedefficiency)，非常的適用于高層(high tier)的無線通訊中長距離、長通信時間的需求。
砷化鎵元件因電子遷移率比硅高很多，因此采用特殊的工藝，早期為 MESFET 金屬半導體場效應晶體管，后演變為 HEMT ( 高速電子遷移率晶體管)，pHEMT( 介面應變式高電子遷移電晶體)目前則為 HBT ( 異質接面雙載子晶體管)。異質雙極晶體管(HBT)是無需負電源的砷化鎵組件，其功率密度(power density)、電流推動能力(current drive capability)與線性度(linearity)均超過 FET，適合設計高功率、高效率、高線性度的微波放器，HBT 為最佳組件的選擇。而 HBT 組件在相位噪聲，高 gm、高功率密度、崩潰電壓與線性度上占優勢，另外它可以單電源操作，因而簡化電路設計及次系統實現的難度，十分適合于射頻及中頻收發模塊的研制，特別是微波信號源與高線性放大器等電路。
砷化鎵生產方式和傳統的硅晶圓生產方式大不相同，砷化鎵需要采用磊晶技術制造，這種磊晶圓的直徑通常為 4-6 英寸，比硅晶圓的 12 英寸要小得多。磊晶圓需要特殊的機臺，同時砷化鎵原材料成本高出硅很多，最終導致砷化鎵成品 IC 成本比較高。磊晶目前有兩種，一種是化學的 MOCVD，一種是物理的 MBE。
氮化鎵 GaN
在寬禁帶半導體材料中，氮化鎵(GaN)由于受到缺乏合適的單晶襯底材料、位錯密度大等問題的困擾，發展較為緩慢，但進入 90 年代后，隨著材料生長和器件工藝水平的不斷發展，GaN 半導體材料及器件的發展十分迅速，目前已經成為寬禁帶半導體材料中耀眼的新星。
GaN 半導體材料的應用首先是在發光器件領域取得重大突破的。1991 年，日本日亞(Nichia)公司首先研制成功以藍寶石為襯底的 GaN 藍光發光二極管(LED)，之后實現 GaN 基藍、綠光 LED 的商品化。該公司利用 GaN 基藍光 LED 和磷光技術，開發出了白光發光器件產品，具有高壽命、低能耗的特點。此外，還首先研制成功 GaN 基藍光半導體激光器。
用 GaN 基高效率藍綠光 LED 制作的超大屏幕全色顯示，可用于室內室外各種場合的動態信息顯示。高效率白光發光二極管作為新型高效節能固體光源，使用壽命超過 10 萬小時，可比白熾燈節電 5～10 倍，達到了節約資源、減少環境污染的雙重目的。目前，GaN 基 LED 的應用十分廣泛，您每天都可能會見到它的身影，在交通信號燈里、彩色視頻廣告牌上、小孩的玩具中甚至閃光燈里。GaN 基 LED 的成功引發了光電行業中的革命。GaN 基藍光半導體激光器主要用于制作下一代 DVD，它能比現在的 CD 光盤提高存儲密度 20 倍以上。
利用 GaN 材料，還可以制備紫外(UV)光探測器，它在火焰傳感、臭氧檢測、激光探測器等方面具有廣泛的應用。此外，在電子器件方面，利用 GaN 材料，可以制備高頻、大功率電子器件，有望在航空航天、高溫輻射環境、雷達與通信等方面發揮重要作用。例如在航空航天領域，高性能的軍事飛行裝備需要能夠在高溫下工作的傳感器、電子控制系統以及功率電子器件等，以提高飛行的可靠性，GaN 基電子器件將起著重要作用，此外由于它在高溫工作時無需制冷器而大大簡化電子系統，減輕飛行重量。
磷化銦 InP
磷化銦是繼硅和砷化鎵之后又一重要的Ⅲ一 V 族化合物半導體材料，幾乎在與鍺、硅等第一代元素半導體材料的發展和研究的同時，科學工作者對化合物半導體材料也開始了大量的探索工作。
磷化銦(InP)作為一種新型半絕緣晶片，它的出現對于改善和提高 InP 基微電子器件的性能具有重要的意義。這種通過高溫退火工藝所制備的半絕緣晶片既保持了傳統原生摻鐵襯底的高阻特性，同時鐵濃度大幅降低，電學性質、均勻性和一致性顯著提高。目前半絕緣類型 InP 襯底的生產質量亟待改善和提高。
原生半絕緣 InP 是通過在單晶生長過程中摻入鐵原子來制備的。為了達到半絕緣化的目的，鐵原子的摻雜濃度較高，高濃度的鐵很可能會隨著外延及器件工藝過程發生擴散。而且由于鐵在磷化銦中的分凝系數很小，InP 單晶錠沿生長軸方向表現出明顯的摻雜梯度，頂部和底部的鐵濃度相差一個數量級以上，由其切割成的單晶片的一致性和均勻性就很難保證。就切割成的單個 InP 晶片而言，由于受生長時的固液界面的影響，鐵原子從晶片中心向外呈同心圓狀分布，這顯然也不能滿足一些器件應用的需要。所有這些因素是目前制約半絕緣磷化銦單晶片生產質量的最大障礙。
最近幾年國內外的研究表明，通過在一定氣氛下高溫退火處理低阻非摻雜 InP 晶片所獲得的半絕緣襯底可以克服上述問題。在 InP 晶體中，半絕緣的形成機理大致可概括為兩個方面：一是通過摻入深受主(元素)補償淺施主來實現半絕緣態，原生摻鐵的半絕緣磷化銦就屬于這種情況;另一種是通過新缺陷的形成使淺施主的濃度降低，同時駐留的深受主(元素)也發生補償，非摻雜半絕緣磷化銦就屬于這一類，這種新缺陷可以在高溫退火以及輻照等過程中形成。根據這個思路，中科院半導體所的有關科研人員采取了三個步驟來制備非摻雜半絕緣磷化銦襯底：首先用液封直拉法拉制高純低阻非摻雜磷化銦單晶(表面為低阻)，然后將其切割成一定厚度的晶片并封裝在石英管內，最后在合適的氣氛條件下進行高溫退火處理。研究人員分別在純磷氣氛和磷化鐵氣氛下進行了數十次退火比較實驗。經過對比測試和分析發現，在磷化鐵氣氛下退火制備的半絕緣磷化銦晶片不僅缺陷少，而且具有良好的均勻性。
為了進一步研究這種退火襯底對相鄰外延層的實際影響，研究人員使用分子柬外延技術分別在原生摻鐵的和磷化鐵氣氛退火制備的半絕緣磷化銦襯底上生長了相同的 InAlAs 外延層。測試結果表明后者更有利于生長具有良好結晶質量的外延層。此外對這兩種襯底分別注入同樣劑量的 Si 離子和快速退火后，霍爾測試結果證實，后者可以較大幅度提高注入離子的激活效率。
磷化銦晶片常用于制造高頻、高速、大功率微波器件和電路以及衛星和外層空間用的太陽能電池等。在當前迅速發展的光纖通信領域，它是首選的襯底材料。另外 InP 基器件在 IC 和開關運用方面也具有優勢。這種新型半絕緣磷化銦晶片的研制成功，將在國防和高速通信領域發揮重要作用。中國電子科技集團第十三研究所使用這種新型半絕緣磷化銦純磷襯底成功制作了工作頻率達 100GHz 的高電子遷移率晶體管。
