砷化鎵早年主要是應用於國防太空工業，以及高速電腦元件、高頻測量儀器等特定應用領域。隨著冷戰時代的結束、軍事管制的解除及個人通訊的快速發展，以微波頻率為主的無線通訊已可廣泛用於個人通訊、衛星通訊及光纖通訊等民生用途上，包括GSM、CDMA等可上網的WAP手機、基地台、衛星定位系統、汽車防撞系統、光纖以及有線電視的視訊轉換器(STB)等，都必須使用到砷化鎵這種高頻通訊元件。

《圖一》

GaAs的性質與特性

具有金屬班光澤之有毒固體「砷」與稀有金屬「鎵」化合之「砷化鎵(GaAs)」，故稱GaAs化合物半導體。以其材質上的優勢，在高頻響應特性好、雜訊值低、效率高、增益值大、線性度佳，又可做成單晶微波積體電路(MMIC)等特性下，已經備受電子業界重視。GaAs材料比傳統矽(Si)具有下列優越的特性:

《圖二》

1.在低電場時具有非常高的電子遷移率，約為矽(Si)的3~5倍，而GaAs則更高達5~7倍。

因GaAs的最大頻率範圍(Max. Frequency Range)可達到2GHz~300GHz，由於頻率高、傳輸距離遠、傳輸品質好，且可攜帶的資料大，適合現代遠程通訊需求。

2.在高電場時的電子飽和速度方面，約為矽(Si)的1.5倍，而GaAs則更高達為2倍。

3.具有較寬的能隙，在常溫時傳導帶(Conduction Band)中的電子數較Si為少，故半絕緣性的基板較容易獲得。

4.具有抗輻射性的優點，在太空抵抗力強。因不易產生信號錯誤(Error)情形，製造出來的產品可相對提高。

《圖三》

5.具有直接遷移型(Direct Bandgap)的能隙結構，可以製作出把電子元件和光子元件合製於單一化合物半導體晶片上的光電積體電路(OEIC)。因此，適用於LED及LASER等方面用途。

6.化合物半導體可能有砷化鋁鎵 (AlGaAs) /砷化鎵 (GaAs)、砷化銦鎵 (InGaAs) /砷化銦鋁(InAlAs) 等異質接面，可以很容易地將電子或電洞侷限在某一特定區域達到許多同質接面無法達成的目的。

7.經由摻雜Cr成為半絕緣材料具有高電阻係數，可降低寄生電容，應用在單晶微波積體電路(MMIC)，所製造出來的微波被動元件品質因子(Q-factor)較Si為大。

8.耐高溫。電子的遷移速度一般而言，會受到溫度改變，環境太高，遷移速度降低，而GaAs材料的操作溫度範圍最高可達攝氏200度，不會因高溫所產生的熱能而影響到產品的功能及可靠度。

綜合以上的GaAs與傳統Si比較整理如下(表一及表二)：

砷化鎵由於其特殊之能帶結構，具有許多與矽不同的特性。其中最主要的一項為它的電子有效質量比矽低甚多。因為質量低所以電子遷移率(Mobility)高。換句話說電子的速率在砷化鎵內比在矽內要高出許多。在這兩種材料內電子速率與電場的關係(圖一)看出來。在低電場狀況下(≦3KV/Cm)它們的速率比約為六比一。

《圖四》

砷化鎵適合作高速元件的另一特性是它能形成半絕緣體。由於砷化鎵的能帶間隙(Eg=1.42ev)較矽的(Eg = 1.12ev)為寬，它的本質載子濃度甚低(約為1.8×106cm-3)，所以若費米能階 (Fermi Level)非常接近其能帶間隙中間時它的導電性甚差。目前半絕緣性的砷化鎵可由長晶的方法長成，其電阻係數可高達108Ω-cm以上。在如此高電阻的晶片上所製作的電子元件，它對晶片的寄生電容(Parasitic Capacitance)就比在導電性晶片(如矽)上製作的電子元件低很多，因此，它的速度比在導電性晶片上的電子元件快出許多。以上特性足以證明GaAs在高速元件上的表現優於傳統Si的材料。

《圖五》

化合物三種磊晶成長方式與過程

目前化合物半導體元件的製作上，主要的磊晶成長方式有：液相磊晶法(LPE)，有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)及分子束磊晶(MBE)為主，(圖二)是磊晶基本考慮因素流程。茲分析化合物三種磊晶成長方式如下：

a.液相磊晶法(LPE)

LPE方法比較傳統而且簡單，設備不貴，主要應用在發光二極體(LED)的成長上，但是對於需要精準摻雜濃度及厚度控制的薄層磊晶成長，比較難以掌控。

《圖六》

b.分子束磊晶(MBE)

MBE較能精確掌控參雜濃度，也比較能長成極薄的結構，磊晶的平整度較佳。而且在成長砷化鎵層之背景濃度可低至1014cm-3以下的高純度磊晶材料，不但可成長高品質的單層材料，對於量子井與超晶格等高級薄層結構、摻雜濃度與分佈及陡峭的異質接面的成長控制，更優於其它磊晶技術，目前它量產能力已經可以和MOCVD相比擬。

《圖七》

c.有機金屬化學氣相沉積(MOCVD)

月產量為MBE的1.5倍，比較具量產能力，主要應用於光電元件磊晶上，成長時需在高溫下，而且無法臨場觀察，所以不易掌握摻雜濃度、薄層厚度與界面陡峭控制能力，難以獲得高性能的微波元件磊晶。底下根據上述三種磊晶成長方式的優劣，整理出(表三)。

生產一顆砷化鎵IC，第一步就是要先長晶，其次是磊晶，再其次就進入IC生產的流程，最後就是封裝與測試。這幾步完成之後，就能完成一個砷化鎵IC(圖三)。

《圖八》

MMIC微波積體電路主動元件中的微波半導體：

目前市場上行動電話使用的功率放大器(Power Amplifier；PA)可概分為以矽(Si)與砷化鎵(GaAs)等半導體為材料的PA。Si PA採用雙載子電晶體(Bipolar)或雙載子互補式金屬氧化半導體(BiCOMS)結構，而GaAs則包括MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor；金屬電半導體場效電晶體)、PHEMT(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistors；假型高速電子場效電晶體)與HBT(Heterojunction Bipolar Transistor；異質接面雙載子電晶體)等三種結構高頻高速元件。以下深入介紹MESFET、pHEMT和HBT等元件應用在微波積體電路的情形。

《圖九》

a.砷化鎵金屬－半導體場效電晶體(MESFET)

最常見的高速砷化鎵元件是MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)，是具有低價優勢的金屬半導體場效電晶體，全球大約超過95%的GaAs晶圓廠商擁有這種技術，頻率可支援至18GHz。台灣目前以發展0.25μm閘長，6吋晶圓為主流。缺點就是元件尺寸較PHEMT與HBT來得大些，但是它的晶圓成本只有PHEMT或HBT的三分之一。它的結構及能帶圖如(圖四)所示。在一個半絕緣性的晶片上，先由離子佈植或磊晶的方法形成一薄層的n型GaAs Channel。通常使用Ⅳ族的矽作為摻雜Ⅲ-Ⅴ族GaAs的型雜質。上面再由歐姆接觸及蕭基接觸(Schottky junction)形成源極、閘極及集極，並以在閘極上的電壓來控制電流的大小，電子通過閘極的時間決定它的速度。

由砷化鎵MESFET所構成的積體電路，是由離子佈植法直接在半絕緣性的晶片上形成。閘極的長度通常為一微米(1μm)。由此構成的邏揖電路，其每一級(Gate)的訊號延遲(Delay)約在100ps以內，消耗的功率約為1mW左右。

《圖十》

一般而言，砷化鎵與本身的氧化物或二氧化矽等的二氧化膜之界面狀態品質很差，表面狀態密度很高，所以電力線到達界面即終止。於是，對砷化鎵而言，如果利用類似於矽-MOS電晶體那種MOS構造控制通道層中的電子數是非常困難的。因此才使用蕭基接合面(Schottky Junction)產生的空乏區，來控制從源極(Soure)到汲極(Drain)間的通道層的電子。這就是為什麼GaAs FET也被稱為MESFET(Metal Semiconductor FET)。

除了數位積體電路外，砷化鎵MESFET在微波及毫米波通訊系統上的應用更為廣泛。就高功率分立元件的市場而言，砷化鎵功率晶體在S-band以上的頻道可謂一枝獨秀；以低雜訊分立元件而言，X-band以上的應用砷化鎵遠較矽雙載子電晶體來得「冷」、「靜」。再就運作的頻率而言，0.25微米的砷化鎵場效晶體已證明其高達40GHz的可用性。由砷化鎵製造的微波積體電路近年來的進展也是一日千里。過去的混成微波電路都可用積體電路來代替，許多體積龐大的微波系統，將由小而耐用而且便宜的砷化鎵微波積成電路來取代了。

《圖十一》

a.利用砷化鎵(GaAs)/砷化鋁鎵(AlGaAs)異質接面結構高速元件

近年來磊晶成長技術的進步，使砷化鎵─砷化鋁鎵異質接面結構廣泛得應用在元件的塑造上。因為砷化鎵與砷化鋁鎵具有不同能量間隙，當這兩種物質結合在一起的時候，它具有一些單一半導體材料沒有的特性。由異質接面構成的高速元件，速度比砷化鎵MESFET又要高出許多。目前最受矚目速度最快的兩種異質接面元件為：高電子遷移率場效電晶體(HEMT; High Electron Mobility Transistors)及異質接面雙載子電晶體(HBT; Heterojunction Bipolar Transistors)。以下為HEMT和HBT這兩種高速元件作分析:

《圖十二》

Ⅰ.高電子遷移率場效電晶體(HEMT)

HEMT具有高頻環境，超低雜訊表現的特色，適用於GPS、直播衛星等產品發展，為了提昇頻寬或電子移動速率，HEMT衍生的技術pHEMT(Pseudomorphic HEMT)假型高速電子移動電晶體，在GaAs中添加(Doping)In(銦)成為InGaAs。HEMT的結構在橫的方向與MESFET非常類似及能帶圖(圖五)。但是和表面垂直的方向，它會有好幾層砷化鎵與砷化鋁鎵的磊晶層。第一層砷化鎵不摻雜質，砷化鋁鎵則為n型。由圖五的能帶圖可知因為砷化鋁鎵的能量間隙較寬，它裡面被游離出的電子會跑到不含雜質的砷化鎵內，而累積在砷化鎵與砷化鋁鎵的介面，如此一來，電子與砷化鋁鎵內的雜質分離，且不再受其它的影響。當電子在砷化鎵內運動時，因不受雜質的散射，它的速度就比在有雜質的狀況下要快許多。(圖六)為pHEMT的製程流程圖。

自從1980年HEMT發展出來之後，即廣被用於型造高速積體電路及低雜訊微波放大器。這些元件或電路比傳統的元件快，目前最快的HEMT最大振盪頻率(Fmax)高達250GHz。在18GHz與62GHz下最低的雜訊值分別為0.9dB與2.4dB，而其增益為10.4dB與4.4dB。這些結果是任何半導體元件所無法達到的。在數位積體電路方面，HEMT的結果十分驚人，如最短的邏輯訊號延遲可達到5.8ps；最快的5×5乘法器之相乘時間僅為1.08ns，而1K的SRAM的數據讀取時間也僅有0.6ns。總之，HEMT不僅快，所消耗的能也低，適合作大型的積體電路。目前日本正大力推動HEMT作為下一代超級電腦的元件。

HEMT最常用於衛星廣播的收信器，作為低雜訊號的高周波放大器。在赤道上空35000km高度靜止的廣播衛星送出的電視電波的高頻率信號，信號強度弱於地面電視塔送出的電波(收信器與電視塔的距離最大只有數百km)(約10000分之1)。最初，衛星廣播的接收拋物面天線的直徑為1.5m，使用HEMT後，直徑45cm的簡巧拋物面天線既可充分收信，隨著HEMT的更高性能化，拋物面天線又從45cm減小約30cm。

《圖十三》

Ⅱ、異質接面雙載子電晶體(HBT)

HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)異質接面雙極電晶體係由GaAs材料製成的雙載子電晶體，比矽晶製成的雙載子的電子移動速度還快，算是GaAs領域新興的技術。HBT具有高直線性、高增益、低相位雜訊、可重覆性與一致性的優點。台灣的宏捷、博達、穩懋與全球聯合通信擁有這種技術，目前HBT射極的帶狀寬度大約1μm，晶圓直徑不超過6吋。一個異質接面電晶體與一般電晶體不同的地方，在於它用一個能帶間隙較寬的材料作為射極，它的結構及能帶圖(圖七)所示。因為射極的能帶間隙比基極寬，可以達到很高的射極效率(Emitter Efficiency)，而不受基極摻雜濃度的影響。因此基極的摻雜濃度可以很高，厚度可以很薄，可以達到高增益與高速度的目標。(圖八)則為HBT製程流程圖。

近兩三年，因為製程技術與磊晶技術的改善，異質接面電晶體(HBT)的發展突飛猛進。異質接面電晶體作高速積體電路是非常有潛力的，由於HBT架構在InGaAs/GaAs/AlGaAs的異質結構上，所以HBT的(射極、基極、集極)的排列方式呈「垂直排列」，通道內的電子流程垂直方向，也因為結構上的優勢，它所能承擔的電流密度比一般場效電晶體高出很多，所以有很大的驅動力，這對一個高速電路是非常重要的，因此在元件體積上佔優勢；在同樣的輸出功率下，HBT的晶粒(Die)尺寸較其他元件更小；HBT較同質接面的BJT更能兼顧高增益及高切換速度，其低電壓高線性的特質適用於數位無線通訊中的功率放大器，未來將是數位(如STB、DTV)、無線手機之RF組件的最佳選擇，而且僅需要單一電源即可運作(HEMT、MESFET都需要雙電源)。

目前國內新建廠大部份是發展HBT與PHEMT，其中又以HBT暫居主流技術，主要是HBT良率較PHEMT與MESEFT高出很多，約達80%以上，相對地價格也具有競爭力。未來HBT用於3G無線通訊與光纖寬頻網路SONET OC- 48、OC-192或OC-768，頗具前景。

上述三種是目前運用在高頻最普遍的微波半導體，而且各有其特性，運用的地方，也有所不同，茲整理如 (表四、表五)。

《圖十四》

目前GaAs的難題

GaAs的製程與Silicon有許多相似之處，如微影、蝕刻、摻雜、離子佈植、蒸鍍、濺鍍等，但製程不像Silicon複雜，以使用的光罩數而言，GaAs約需10～15道光罩，而Silicon約需20～30道左右，GaAs的製造過程需3～4週的時間。但目前GaAs還有許多技術經驗需要突破，有兩個主要的原因:

1.GaAs晶圓目前維持在4吋，還無法進入6吋，為了防止高頻時產生的高熱作用，GaAs必須磨薄以作散熱用，越薄，質地就脆，因此在製程過程中非常容易破，良率不易提升，因此不僅6吋磊晶材料供應有困難，連6吋晶圓廠量產技術更須克服。

2.另外，GaAs不像Si產業發展健全，定義完整的Design Rule與資料庫非常完整，且多屬於高頻、類比電路、寄生阻抗就成了設計難題，甚至或一個不起眼的線路也有可能是激發高頻訊號、產生大雜訊的天線， GaAs線路設計需要更多的經驗累積。

GaAs砷化鎵VS.矽鍺（SiGe）半導體技術：

雖然GaAs有著高頻特性，但與矽累積數十年所建立完整產業、應用廣泛、高整合度（能將週邊IC作更高度的整合）等因素相比，GaAs在材料成本及量產良率上仍比不上矽，因此部份矽產業的大廠無不深思如何突破矽元件先天上的限制，取代GaAs在高頻上的部份應用。例如IBM的矽鍺（SiGe）技術利用部份現有的矽製程設備，生產高頻元件，與目前台灣投資環境最熱門的GaAs比較，SiGe有優於GaAs的高集積度、高電子傳導率、價格也較便宜與高製造良率的競爭優勢；與常見的矽晶相較，SiGe在高頻環境下擁有低雜訊、低功率損耗的優點；此外，可同時整合FET與Bipolar，也是SiGe的發展優勢。以應用而言，SiGe的用途涵蓋全球定位系統（GPS）收訊器、Power PC用處理器、GSM手機、CDMA手機用TX／RX、功率放大器、無線通訊的行動電話、Bluetooth、DECT等之RF IC、SoC或同步光纖網路（SONET）用40Gbps收訊器等通訊用產品介面IC。

TEMIC在99年先以矽鍺為材料，研發出GSM、PCS、數位無線電話（Digital Enhanced Cordless Telecommunications；DECT）、TX／RX、藍芽（Bluetooth）、無線區域網路（LAN）用低雜訊放大器及功率放大器等產品。並於2000年上半研發出光通訊用高速矽鍺元件，成功裝在40Gbps光傳輸用多工器，未來則將研發BiCMOS製程架構的新式晶片。2001年中研發採矽鍺材料的第六代CDMA晶片組。

基本上，矽鍺是將矽（Si）及鍺（Ge）原子混合製成的半導體元件，矽的能階（Energy gap）為1.12eV，鍺的能階為0.66eV，當兩者結合能產生異質的分子結構，進而提升電子元件的速度，或製造出效率更高的光學元件。在高頻環境下，矽鍺半導體所產生的雜音，比目前的矽半導體低，而且工作的線性佳，集積度也比逐漸是RF IC市場主流的砷化鎵高，價格也較為便宜，但是，無法與砷化鎵在低雜訊特性、在高功率時的高效率以及在高頻帶應用上競爭。

六、結語及未來產望發展;

在快速成長的通訊工業中，通訊產品正朝向功能齊全、價格低、重量輕、體積小及耗電低的目標前進，而電路的積體化乃是唯一的路徑。由於全球寬頻通訊時代來臨，將GaAs材料運用在無線通訊、衛星通訊及光纖通訊等等。接著攜帶式電子需要高功率及高頻高速，以便有效處理龐大資料，才能符合未來無線通訊之應用，所以微波半導體(圖九)應用在單晶微波積體電路是必要的。各類微波半導體的優缺點，須看廠商如何取捨，但考慮成本及製程時，可以利用MESFET;若不考慮成本及製程方面，則可以利用HEMT、HBT，其中HBT成本及製程方面又會比另外兩種昂貴複雜。在未來無線通訊領域裡，GaAs的影響是非常重要的。而且將微波半導體積體化，主要要求縮小行動電話的體積大小。為了追求更高速與高頻的元件，所以InP系列也將成為MMIC重要的材料，這些都是未來發展無線通訊的重點。

《圖十五》