化合物半导体与普通 Si CMOS 半导体器性能比较 | ||||
材料 | Si CMOS | GaAs | GaN | SiC |
品类划分 | 第一代 | 第二代 | 第三代 | 第三代 |
晶格常数 | 5.4 | 5.7 | 3.2 | 3.1 |
禁带宽度 | 1.1 eV | 1.4 eV | 3.4 eV | 3.2eV |
迁移率 | 1350 cm2/Vs | 1350 cm2/Vs | 1500 cm2/Vs | 900 cm2/Vs |
跃迁类型 | 间接 | 直接 | 直接 | 间接 |
发射波长 | N/A | 0.6~0.9um | 0.4um | N/A |
饱和速率 | 1.0x107cm/s | 0.8x107cm/s | 2.5x107cm/s | 2.0x107cm/s |
功率密度 | 0.2 W/mm | 0.5 W/mm | >30 W/mm | 10 W/mm |
击穿场强 | 0.3x106V/cm | 0.7x106V/cm | 3.5x106V/cm | 3.0x106V/cm |
禁带宽度 | 1.1eV | 1.4eV | 3.4eV | 3.3eV（4H） |
截止频率 | 20 GHz | 150 GHz | 150 GHz | 20GHz |
热导率 | 1.5W/mK | 0.5W/ mK | ~2.0W/ mK | 4.9W/ mK |
器件性能 | 功率/增益/效率均较差 | 功率/增益/效率适中 | 高电压（900V 以下） 耐高温 高功率/高效率 | 高电压（900V 以上） 耐高温 高功率/高效率 |
集成度 | 较高，可与普通硅工艺兼 容 | 较低，无法与标准硅工艺 兼容 | 较低，无法与标准硅工 艺兼容 | 较低，无法与标准硅工 艺兼容 |
器件成本 | 最低 | 居中 | 较高 | 最高 |
工艺情况 | 制程成熟、产能稳定 | 良率适中，产能不稳定 | 良率较低，产能匮乏 | 良率极低，产能匮乏 |
主要应用 | 性能要求低的射频前端 芯片应用 2G 手机,802.11b/g/n | 高频/高功率/高性能领域 射频前端芯片应用 2G/3G/4G 手机， 802.11ac | 超高频、大功率、耐高 温应用，如基站/军用雷 达/电子战射频器件 | 抗辐照、大功率、耐 高压、耐高温的分立 功率器件 |
化合物半导体细分应用及说明 | ||
分类 | 主要下游应用 | 说明 |
砷化镓 | 民用射频器件 | GaAs 半导体相对于普通硅工艺半导体具有优良的射频、功率特性和耐压性能，因 此广泛应用于商用无线通讯射频前端领域，尤其在射频功率放大器（Power Amplifier，PA）领域占据统治地位，市场规模远超氮化镓和碳化硅半导体，是化 合物半导体应用最广泛的主要子类。 |
氮化镓 | 军用&高性能民用射频器件 | GaN 基 HEMT 器件作为第三代半导体材料，具有的大动态范围和良好的线性，基 于其在半导体宽禁带宽度、高击穿电场、高电子饱和浓度、高迁移率、高浓度和抗 辐照等方面相对于 CMOS 和 GaAs 器件综合优势，适合作为更大功率基站、雷达 系统使用的功率 PA 器件，目前广泛应用于下一代有源电子扫描阵列雷达、新电子 战系统武器装备等军用领域以及高带宽、高数据吞吐量等要求高性能的民用领域， 具有重要的战略意义和广阔的发展前景。 |
碳化硅 | 高压功率器件 | SiC 的禁带宽度为 Si 的 2-3 倍，热导率约为 Si 的 4.4 倍，临界击穿电场约为 Si 的 8 倍，电子的饱和漂移速度为 Si 的 2 倍。SiC 的这些性能使其成为高频、大功 率、耐高温、抗辐照的半导体器件的优选材料，可用于地面核反应堆系统的监控、 原油勘探、环境监测及航空、航天、雷达、通讯系统和大功率的电子转换器及汽车 马达等领域的极端环境中。尤其在600V以上高压器件一般选用碳化硅半导体器件。 |
化合物半导体工艺独特，需要专门的制造产线。普通硅工艺集成电路和砷化镓/氮化镓 等化合物集成电路芯片生产流程大致类似：先将衬底材料纯化、拉晶、切片后在某种衬底上 形成外延层，由代工厂按照设计公司的设计进行一系列工艺步骤进行电路制造，制成的芯片 交由相关厂商进行封装与测试，最终完成芯片制造。然而由于材料特性、外延方式和制作环 境要求和普通硅 CMOS 工艺截然不同，化合物集成电路需要使用专门的生产工艺流程与产 线设备，进而催生出专门针对化合物半导体集成电路生产的工厂（Fab）。
