砷化镓早年主要是应用于国防太空工业，以及高速电脑元件、高频测量仪器等特定应用领域。随着冷战时代的结束、军事管制的解除及个人通讯的快速发展，以微波频率为主的无线通讯已可广泛用于个人通讯、卫星通讯及光纤通讯等民生用途上，包括GSM、CDMA等可上网的WAP手机、基地台、卫星定位系统、汽车防撞系统、光纤以及有线电视的视讯转换器(STB)等，都必须使用到砷化镓这种高频通讯元件。

《图一》

GaAs的性质与特性

具有金属班光泽之有毒固体「砷」与稀有金属「镓」化合之「砷化镓(GaAs)」，故称GaAs化合物半导体。以其材质上的优势，在高频响应特性好、杂讯值低、效率高、增益值大、线性度佳，又可做成单晶微波积体电路(MMIC)等特性下，已经备受电子业界重视。 GaAs材料比传统矽(Si)具有下列优越的特性:

《图二》

1.在低电场时具有非常高的电子迁移率，约为矽(Si)的3~5倍，而GaAs则更高达5~7倍。

因GaAs的最大频率范围(Max. Frequency Range)可达到2GHz~300GHz，由于频率高、传输距离远、传输品质好，且可携带的资料大，适合现代远程通讯需求。

2.在高电场时的电子饱和速度方面，约为矽(Si)的1.5倍，而GaAs则更高达为2倍。

3.具有较宽的能隙，在常温时传导带(Conduction Band)中的电子数较Si为少，故半绝缘性的基板较容易获得。

4.具有抗辐射性的优点，在太空抵抗力强。因不易产生信号错误(Error)情形，制造出来的产品可相对提高。

《图三》

5.具有直接迁移型(Direct Bandgap)的能隙结构，可以制作出把电子元件和光子元件合制于单一化合物半导体晶片上的光电积体电路(OEIC)。因此，适用于LED及LASER等方面用途。

6.化合物半导体可能有砷化铝镓(AlGaAs) /砷化镓(GaAs)、砷化铟镓(InGaAs) /砷化铟铝(InAlAs) 等异质接面，可以很容易地将电子或电洞局限在某一特定区域达到许多同质接面无法达成的目的。

7.经由掺杂Cr成为半绝缘材料具有高电阻系数，可降低寄生电容，应用在单晶微波积体电路(MMIC)，所制造出来的微波被动元件品质因子(Q-factor)较Si为大。

8.耐高温。电子的迁移速度一般而言，会受到温度改变，环境太高，迁移速度降低，而GaAs材料的操作温度范围最高可达摄氏200度，不会因高温所产生的热能而影响到产品的功能及可靠度。

综合以上的GaAs与传统Si比较整理如下(表一及表二)：

砷化镓由于其特殊之能带结构，具有许多与矽不同的特性。其中最主要的一项为它的电子有效质量比矽低甚多。因为质量低所以电子迁移率(Mobility)高。换句话说电子的速率在砷化镓内比在矽内要高出许多。在这两种材料内电子速率与电场的关系(图一)看出来。在低电场状况下(≦3KV/Cm)它们的速率比约为六比一。

《图四》

砷化镓适合作高速元件的另一特性是它能形成半绝缘体。由于砷化镓的能带间隙(Eg=1.42ev)较矽的(Eg = 1.12ev)为宽，它的本质载子浓度甚低(约为1.8×106cm-3)，所以若费米能阶(Fermi Level)非常接近其能带间隙中间时它的导电性甚差。目前半绝缘性的砷化镓可由长晶的方法长成，其电阻系数可高达108Ω-cm以上。在如此高电阻的晶片上所制作的电子元件，它对晶片的寄生电容(Parasitic Capacitance)就比在导电性晶片(如矽)上制作的电子元件低很多，因此，它的速度比在导电性晶片上的电子元件快出许多。以上特性足以证明GaAs在高速元件上的表现优于传统Si的材料。

《图五》

化合物三种磊晶成长方式与过程

目前化合物半导体元件的制作上，主要的磊晶成长方式有：液相磊晶法(LPE)，有机金属化学气相沉积(MOCVD)及分子束磊晶(MBE)为主，(图二)是磊晶基本考​​虑因素流程。兹分析化合物三种磊晶成长方式如下：

a.液相磊晶法(LPE)

LPE方法比较传统而且简单，设备不贵，主要应用在发光二极体(LED)的成长上，但是对于需要精准掺杂浓度及厚度控制的薄层磊晶成长，比较难以掌控。

《图六》

b.分子束磊晶(MBE)

MBE较能精确掌控参杂浓度，也比较能长成极薄的结构，磊晶的平整度较佳。而且在成长砷化镓层之背景浓度可低至1014cm-3以下的高纯度磊晶材料，不但可成长高品质的单层材料，对于量子井与超晶格等高级薄层结构、掺杂浓度与分布及陡峭的异质接面的成长控制，更优于其它磊晶技术，目前它量产能力已经可以和MOCVD相比拟。

《图七》

c.有机金属化学气相沉积(MOCVD)

月产量为MBE的1.5倍，比较具量产能力，主要应用于光电元件磊晶上，成长时需在高温下，而且无法临场观察，所以不易掌握掺杂浓度、薄层厚度与界面陡峭控制能力，难以获得高性能的微波元件磊晶。底下根据上述三种磊晶成长方式的优劣，整理出(表三)。

生产一颗砷化镓IC，第一步就是要先长晶，其次是磊晶，再其次就进入IC生产的流程，最后就是封装与测试。这几步完成之后，就能完成一个砷化镓IC(图三)。

《图八》

MMIC微波积体电路主动元件中的微波半导体：

目前市场上行动电话使用的功率放大器(Power Amplifier；PA)可概分为以矽(Si)与砷化镓(GaAs)等半导体为材料的PA。 Si PA采用双载子电晶体(Bipolar)或双载子互补式金属氧化半导体(BiCOMS)结构，而GaAs则包括MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor；金属电半导体场效电晶体)、PHEMT(Pseudomorphic High Electron Mobility Transistors；假型高速电子场效电晶体)与HBT(Heterojunction Bipolar Transistor；异质接面双载子电晶体)等三种结构高频高速元件。以下深入介绍MESFET、pHEMT和HBT等元件应用在微波积体电路的情形。

《图九》

a.砷化镓金属－半导体场效电晶体(MESFET)

最常见的高速砷化镓元件是MESFET(Metal Semiconductor Field Effect Transistor)，是具有低价优势的金属半导体场效电晶体，全球大约超过95%的GaAs晶圆厂商拥有这种技术，频率可支援至18GHz。台湾目前以发展0.25μm闸长，6吋晶圆为主流。缺点就是元件尺寸较PHEMT与HBT来得大些，但是它的晶圆成本只有PHEMT或HBT的三分之一。它的结构及能带图如(图四)所示。在一个半绝缘性的晶片上，先由离子布植或磊晶的方法形成一薄层的n型GaAs Channel。通常使用Ⅳ族的矽作为掺杂Ⅲ-Ⅴ族GaAs的型杂质。上面再由欧姆接触及萧基接触(Schottky junction)形成源极、闸极及集极，并以在闸极上的电压来控制电流的大小，电子通过闸极的时间决定它的速度。

由砷化镓MESFET所构成的积体电路，是由离子布植法直接在半绝缘性的晶片上形成。闸极的长度通常为一微米(1μm)。由此构成的逻揖电路，其每一级(Gate)的讯号延迟(Delay)约在100ps以内，消耗的功率约为1mW左右。

《图十》

一般而言，砷化镓与本身的氧化物或二氧化矽等的二氧化膜之界面状态品质很差，表面状态密度很高，所以电力线到达界面即终止。于是，对砷化镓而言，如果利用类似于矽-MOS电晶体那种MOS构造控制通道层中的电子数是非常困难的。因此才使用萧基接合面(Schottky Junction)产生的空乏区，来控制从源极(Soure)到汲极(Drain)间的通道层的电子。这就是为什么GaAs FET也被称为MESFET(Metal Semiconductor FET)。

除了数位积体电路外，砷化镓MESFET在微波及毫米波通讯系统上的应用更为广泛。就高功率分立元件的市场而言，砷化镓功率晶体在S-band以上的频道可谓一枝独秀；以低杂讯分立元件而言，X-band以上的应用砷化镓远较矽双载子电晶体来得「冷」、「静」。再就运作的频率而言，0.25微米的砷化镓场效晶体已证明其高达40GHz的可用性。由砷化镓制造的微波积体电路近年来的进展也是一日千里。过去的混成微波电路都可用积体电路来代替，许多体积庞大的微波系统，将由小而耐用而且便宜的砷化镓微波积成电路来取代了。

《图十一》

a.利用砷化镓(GaAs)/砷化铝镓(AlGaAs)异质接面结构高速元件

近年来磊晶成长技术的进步，使砷化镓─砷化铝镓异质接面结构广泛得应用在元件的塑造上。因为砷化镓与砷化铝镓具有不同能量间隙，当这两种物质结合在一起的时候，它具有一些单一半导体材料没有的特性。由异质接面构成的高速元件，速度比砷化镓MESFET又要高出许多。目前最受瞩目速度最快的两种异质接面元件为：高电子迁移率场效电晶体(HEMT; High Electron Mobility Transistors)及异质接面双载子电晶体(HBT; Heterojunction Bipolar Transistors)。以下为HEMT和HBT这两种高速元件作分析:

《图十二》

Ⅰ.高电子迁移率场效电晶体(HEMT)

HEMT具有高频环境，超低杂讯表现的特色，适用于GPS、直播卫星等产品发展，为了提升频宽或电子移动速率，HEMT衍生的技术pHEMT(Pseudomorphic HEMT)假型高速电子移动电晶体，在GaAs中添加(Doping)In(铟)成为InGaAs。 HEMT的结构在横的方向与MESFET非常类似及能带图(图五)。但是和表面垂直的方向，它会有好几层砷化镓与砷化铝镓的磊晶层。第一层砷化镓不掺杂质，砷化铝镓则为n型。由图五的能带图可知因为砷化铝镓的能量间隙较宽，它里面被游离出的电子会跑到不含杂质的砷化镓内，而累积在砷化镓与砷化铝镓的介面，如此一来，电子与砷化铝镓内的杂质分离，且不再受其它的影响。当电子在砷化镓内运动时，因不受杂质的散射，它的速度就比在有杂质的状况下要快许多。 (图六)为pHEMT的制程流程图。

自从1980年HEMT发展出来之后，即广被用于型造高速积体电路及低杂讯微波放大器。这些元件或电路比传统的元件快，目前最快的HEMT最大振荡频率(Fmax)高达250GHz。在18GHz与62GHz下最低的杂讯值分别为0.9dB与2.4dB，而其增益为10.4dB与4.4dB。这些结果是任何半导体元件所无法达到的。在数位积体电路方面，HEMT的结果十分惊人，如最短的逻辑讯号延迟可达到5.8ps；最快的5×5乘法器之相乘时间仅为1.08ns，而1K的SRAM的数据读取时间也仅有0.6ns。总之,HEMT不仅会,所消耗的能也低,适合作大型的积体电路。目前日本正大力推动HEMT作为下一代超级电脑的元件。

HEMT最常用于卫星广播的收信器，作为低杂讯号的高周波放大器。在赤道上空35000km高度静止的广播卫星送出的电视电波的高频率信号，信号强度弱于地面电视塔送出的电波(收信器与电视塔的距离最大只有数百km)(约10000分之1) 。最初，卫星广播的接收抛物面天线的直径为1.5m，使用HEMT后，直径45cm的简巧抛物面天线既可充分收信，随着HEMT的更高性能化，抛物面天线又从45cm减小约30cm。

《图十三》

Ⅱ、异质接面双载子电晶体(HBT)

HBT(Heterojunction Bipolar Transistor)异质接面双极电晶体系由GaAs材料制成的双载子电晶体，比矽晶制成的双载子的电子移动速度还快，算是GaAs领域新兴的技术。 HBT具有高直线性、高增益、低相位杂讯、可重覆性与一致性的优点。台湾的宏捷、博达、稳懋与全球联合通信拥有这种技术，目前HBT射极的带状宽度大约1μm，晶圆直径不超过6吋。一个异质接面电晶体与一般电晶体不同的地方，在于它用一个能带间隙较宽的材料作为射极，它的结构及能带图(图七)所示。因为射极的能带间隙比基极宽，可以达到很高的射极效率(Emitter Efficiency)，而不受基极掺杂浓度的影响。因此基极的掺杂浓度可以很高，厚度可以很薄，可以达到高增益与高速度的目标。 (图八)则为HBT制程流程图。

近两三年，因为制程技术与磊晶技术的改善，异质接面电晶体(HBT)的发展突飞猛进。异质接面电晶体作高速积体电路是非常有潜力的，由于HBT架构在InGaAs/GaAs/AlGaAs的异质结构上，所以HBT的(射极、基极、集极)的排列方式呈「垂直排列」，通道内的电子流程垂直方向，也因为结构上的优势，它所能承担的电流密度比一般场效电晶体高出很多，所以有很大的驱动力，这对一个高速电路是非常重要的，因此在元件体积上占优势；在同样的输出功率下，HBT的晶粒(Die)尺寸较其他元件更小；HBT较同质接面的BJT更能兼顾高增益及高切换速度，其低电压高线性的特质适用于数位无线通讯中的功率放大器，未来将是数位(如STB、DTV)、无线手机之RF组件的最佳选择，而且仅需要单一电源即可运作(HEMT、MESFET都需要双电源)。

目前国内新建厂大部份是发展HBT与PHEMT，其中又以HBT暂居主流技术，主要是HBT良率较PHEMT与MESEFT高出很多，约达80%以上，相对地价格也具有竞争力。未来HBT用于3G无线通讯与光纤宽频网路SONET OC- 48、OC-192或OC-768，颇具前景。

上述三种是目前运用在高频最普遍的微波半导体，而且各有其特性，运用的地方，也有所不同，兹整理如 (表四、表五)。

《图十四》

目前GaAs的难题

GaAs的制程与Silicon有许多相似之处，如微影、蚀刻、掺杂、离子布植、蒸镀、溅镀等，但制程不像Silicon复杂，以使用的光罩数而言，GaAs约需10～15道光罩，而Silicon约需20～30道左右，GaAs的制造过程需3～4周的时间。但目前GaAs还有许多技术经验需要突破，有两个主要的原因:

1.GaAs晶圆目前维持在4吋，还无法进入6吋，为了防止高频时产生的高热作用，GaAs必须磨薄以作散热用，越薄，质地就脆，因此在制程过程中非常容易破，良率不易提升，因此不仅6吋磊晶材料供应有困难，连6吋晶圆厂量产技术更须克服。

2.另外，GaAs不像Si产业发展健全，定义完整的Design Rule与资料库非常完整，且多属于高频、类比电路、寄生阻抗就成了设计难题，甚至或一个不起眼的线路也有可能是激发高频讯号、产生大杂讯的天线， GaAs线路设计需要更多的经验累积。

GaAs砷化镓VS.矽锗（SiGe）半导体技术：

虽然GaAs有着高频特性，但与矽累积数十年所建立完整产业、应用广泛、高整合度（能将周边IC作更高度的整合）等因素相比，GaAs在材料成本及量产良率上仍比不上矽，因此部份矽产业的大厂无不深思如何突破矽元件先天上的限制，取代GaAs在高频上的部份应用。例如IBM的矽锗（SiGe）技术利用部份现有的矽制程设备，生产高频元件，与目前台湾投资环境最热门的GaAs比较，SiGe有优于GaAs的高集积度、高电子传导率、价格也较便宜与高制造良率的竞争优势；与常见的矽晶相较，SiGe在高频环境下拥有低杂讯、低功率损耗的优点；此外，可同时整合FET与Bipolar，也是SiGe的发展优势。以应用而言，SiGe的用途涵盖全球定位系统（GPS）收讯器、Power PC用处理器、GSM手机、CDMA手机用TX／RX、功率放大器、无线通讯的行动电话、Bluetooth、DECT等之RF IC、SoC或同步光纤网路（SONET）用40Gbps收讯器等通讯用产品介面IC。

TEMIC在99年先以矽锗为材料，研发出GSM、PCS、数位无线电话（Digital Enhanced Cordless Telecommunications；DECT）、TX／RX、蓝芽（Bluetooth）、无线区域网路（LAN）用低杂讯放大器及功率放大器等产品。并于2000年上半研发出光通讯用高速矽锗元件，成功装在40Gbps光传输用多工器，未来则将研发BiCMOS制程架构的新式晶片。 2001年中研发采矽锗材料的第六代CDMA晶片组。

基本上，矽锗是将矽（Si）及锗（Ge）原子混合制成的半导体元件，矽的能阶（Energy gap）为1.12eV，锗的能阶为0.66eV，当两者结合能产生异质的分子结构，进而提升电子元件的速度，或制造出效率更高的光学元件。在高频环境下，矽锗半导体所产生的杂音，比目前的矽半导体低，而且工作的线性佳，集积度也比逐渐是RF IC市场主流的砷化镓高，价格也较为便宜，但是，无法与砷化镓在低杂讯特性、在高功率时的高效率以及在高频带应用上竞争。

六、结语及未来展望发展;

在快速成长的通讯工业中，通讯产品正朝向功能齐全、价格低、重量轻、体积小及耗电低的目标前进，而电路的积体化乃是唯一的路径。由于全球宽频通讯时代来临，将GaAs材料运用在无线通讯、卫星通讯及光纤通讯等等。接着携带式电子需要高功率及高频高速，以便有效处理庞大资料，才能符合未来无线通讯之应用，所以微波半导体(图九)应用在单晶微波积体电路是必要的。各类微波半导体的优缺点，须看厂商如何取舍，但考虑成本及制程时，可以利用MESFET;若不考虑成本及制程方面，则可以利用HEMT、HBT，其中HBT成本及制程方面又会比另外两种昂贵复杂。在未来无线通讯领域里，GaAs的影响是非常重要的。而且将微波半导体积体化，主要要求缩小行动电话的体积大小。为了追求更高速与高频的元件，所以InP系列也将成为MMIC重要的材料，这些都是未来发展无线通讯的重点。

《图十五》