很可能地图上不会出现一个“砷化镓谷”，但是，国防高级研究计划署（DARPA）、洛克威尔国际公司、麦克唐纳 · 道格拉斯公司的科学家与工程师深信：砷化镓底板微电路，今后十年内，就会在高性能的空间军事与关键设备上获得重要应用。

GaAs的基本知识与特性

硅是单独的元素，而砷化镓（GaAs）则是人造化合物半导体。GaAs是在一个单晶体中结合了镓和砷这两种元素的化合物。

GaAs并非什么新发现，早在六十年代后期，就采用过GaAs场效应晶体管，制造出噪音低、功率小的微波固态电路元件。七十年代初，它得到更加普遍的应用，就是手表与计算器上所采用的那种红色发光二极管数字显示元件。

与硅相比，砷化镓所具有的潜在军事优点，也不是什么新发现。二十多年前，就已经知道GaAs能隙比硅大，所以，对温度的耐受范围也比较大。另外，GaAB元件采用金属半导体栅极，对于辐射感应电荷的电离作用具有较大耐受性。这意味着元件特性不像硅底板金属氧化物半导体那样易于改变，也就是说，对电磁脉冲“抗干扰处理”（“hardening”）的需要也较少。

GaAs集成电路不能从实验室脱颖而出，有两个原因。第一是没有足够的需求。可能是只有一些要求严格的设备才需要防辐射，而除了为数有限的军事设备外，所增加之费用是否值得，也很难说。没有民用的需求，GaAs底板元件生产成本一直很高，除了一些特殊设备外，为改进性能付出的费用就不合算。

第二个与之连带有关的问题是材料制造与设计的困难。硅相对纯净均匀，而GaAs则有许多缺陷，例如质脆而且往往每个结晶块都不相同。

GaAs底板4K位静态随机存取存储器（RAM）的加工产量（即可用元件百分比），迄今仍只能达到3.5%，远远低于16 K位的硅RAM。DARPA和工业界希望在达到DARPA 10%这个当前目标时，GaAs能成为商业上有生命力的产品。DARPA的计划处主任说，即使达到这个目标，GaAs材料生产成本还是要比硅的成本高出约15%。

总之，即使从持相当怀疑态度的方面打个折扣，GaAs生产技术的状况也是大有希望的。与硅相比，GaAs的原料稀少，供应不多，生产的质量控制工艺还有待确定。显然，将这一技术由实验室引入生产，所需要的组织工作与资金，都不是私人企业所愿意和能够单独承担的。技术的“吸引力”是有了，缺少的是需要明确的“推动力”，以及把风险大的技术挑战变成收益大的实际产品所必需的资金。而成立DARPA就正是为迎接这种挑战的。

DARPA承担研制GaAs任务

七十年代中期，技术已经使GaAs底板元件发展到不仅仅是实验室的新奇事物了。丘克拉斯基（Czochralski）单晶提拉机，英国所研制能在市场买到的这种液体密封设备，带来了一个重大突破。这套设备能生成直径至少为二英寸的化合物半导体的大晶体。洛克威尔发现，生成无掺杂半绝缘GaAs的关键是砷与镓之比。DARPA则一直在资助威斯汀豪斯公司研究掺铟的GaAs，以减少缺陷。虽然这两项成果还不足以保证成功生产出复杂的GaAs元件（W80年，实验室制造出最复杂GaAs芯片是8×8倍增器），但的确使国防部的兴趣超出仅仅是科学好奇心的范围。

砷化镓引起军事上兴趣的主要原因是：速度高（就信号处理而言，比类似的最快的硅技术要快三至五倍），比高速硅所要求的功率小（从而有可能大大减轻设备重量），还有其本身固有的抗辐射性。考虑到有这些优点，DARPA的国防科学处（DSO）拟订了一个GaAs技术基本规划：这个规划内容包括基本材料研究与加工直至元件研制与数字线路设计。

大约在同一时期，DARPA的战略技术处（STO）也在研究航天器上用的超级抗辐射信号处理设备，后来称之为高级机载信号处理机（AOSP）。1982年，DSO与STO联合起来，开始研制一种GaAs的AOSP原型。

为研究适于生产线所必需的技术，已经获得资金建立起第一条低功率、抗辐射的GaAs大规模集成电路板（LSI）试验生产线。DARPA在1986财政年度为这项研究共支出了3，U0万美元。现在，计划管理仍归J）ARPA，资金则由战略防御倡议局（SDIO）筹措（译注：战略防御倡议，简称SDI，即“星球大战计划”的正式名称）。1987财政年度中，有4，100万美元拨给GaAs项目，其中包括建立下文将要讨论的第三条试验生产线的承建费用。

第一、二条试验生产线

为了建立GaAs“超级计算机芯片”的数字型试验生产线，DARPA创办了两条低功率、抗辐射GaAs的LSI试生产线。第一条试生产线由洛克威尔国际公司设在加州纽贝里公园的微电子研究与发展中心（MRDC）操作。第二条试生产线由设在加州洪廷顿海滨的麦克唐纳 · 道格拉斯微电子中心（MDMC）负责。而这两条生产线则都由DARPA的计划主任处管理。

洛克威尔的第一条试生产线，迄今为止已经接受了DARPA2，660万美元的资助。麦克唐纳 · 道格拉斯的第二条试生产线，迄今为止也得到了1，500万美元资助。

这两套设备的投产，具有相同的广泛目标，即DARPA所制订的：

· 确定GaAs超大规模集成电路（VLSI）的试验生产设备、要能满足国防部的需求，每周至少生产一百块晶片。

· 增加GaAs的LSI与VLSI电路板产量。

· 获得足够数量的16 K/64 K位GaAs RAM与6 K/10 K“等效栅极”的GaAs栅阵。

· 确定GaAs的“铸造工艺”（“foundry”）。

洛克威尔MRDC在纽贝里公园的设备耗资2，000万美元，占地近41，000平方英尺，1985年开始运行。在当年感恩节前一天，MRDC在生产中试验了它的第一个全功能RAM GaAs芯片。第一条试验生产线是纵向一体化的（译注：指企业对供应其原材料或购买其产品的企业能够控制），所以，一般能提供给国防部及这一行全套人员，按洛克威尔或顾客提供的设计生产GaAs元件。去年秋季，为DARPA生产的三英寸晶片上升至每周40块，而不久就会达到每周60块。

MRDC联合企业的试生产线和麦克唐纳 · 道格拉斯的那条试生产线一样，也是一边研究一边生产。研究这一方面，是根据AOSP性能目标的要求：至少是16 K位静态RAM，如果产量允许，则发展到64 K半随机存取存储器（SRAM），存取时间10毫微秒，循环时间25毫微秒，还有能够以100兆赫钟速度运行的6 K栅阵芯片。

洛克威尔人员说，这些目标是“野心勃勃”的。迄今为止，第一条试生产线在6 K栅阵和4 K GaAs RAM上演示了12×12倍增器，它的人员完成了16 K RAM两项功能设计。

生产前景

DARPA的目标是1989年以前研制出包黄铜的GaAs AOSP。同时，DARPA与试生产线的操作人员还要实现更广泛、更长远的目标，即创造出GaAs的铸造工艺（foundry），使能总体上满足国防工业的未来需要。洛克威尔的专家们承认，质量控制与材料均匀性、成文的设计规范与规则、标准化的文献索编等都还在摸索中。目的是要从每块GaAs晶片得到像硅晶片一样多的可用芯片。

第一条和第二条试生产线、实际上在进行竞争，搞出大量生产GaAs芯片的最佳设计。设在洪廷顿海滨的第二条试生产线占用6，000平方英尺楼面面积——大约是MDMC总面积的10%。

总共有70人从事GaAs的研究、研制和生产。一份合同预定，到1987年4月，每周生产100块三英寸晶片。四十块GaAs确定给DARPA，其余的分配给海军的纤维光声传感设备，这套取名为“阿里阿德里”（Ariadne）的设备，正由麦克唐纳 · 道格拉斯研制中。（译注：Ariadne是希腊神话中克包特岛王Minos的女儿，帮助Theseus逃出了迷宫。）像第一条试生产线一样，迄今为止，第二条试验生产线还是集中生产4 K RAM。MDMC人员希望今年年底前能制作出经实验室检验的16 K SRAM。

MDMC宣称制作出了第一块GaAs集成微处理机芯片。一块八分之一平方英寸大的四位芯片，上面有1，860个晶体管，使用135毫瓦功率，即只有类似硅片所需要功率的十分之一。实际上，这块芯片的基本容量并不比大约15年前硅片所获得的容量大。但是，借助于硅片经验，MDMC研究人员深信GaAs会在短得多的时间内赶上。

第一条和第二条试生产线采用的技术是不同的。洛克威尔生产的元件，采用的是最普通的GaAs芯片技术，称之为耗尽型金属半导体场效应晶体管（MESFET）。MESFET采用肖特基（Schottky）栅极调节源极与漏极间的沟道电导：洛克威尔人员解释说，MRDC方法的主要优点是，MESFET技术对单块芯片的兼容性。例如，可用微波或光电子元件处理数字信号。

第二条试生产线的工作则集中在结型场效应晶体管（JFET）。这一元件与MESFET的区别，主要在于采用p-n结型栅代替肖特基二极管。其优点在于线路杂波极限高，使得二次食射能力也高，还有辐射耐受性强，功率耗散低。MDMC的报告说，MDMC生产的JFET存储器线路已经取得了每位0.5微瓦的备用功率。MDMC宣称，这比MESFET设计所能达到的还要好得多。JFET砷化镓集成电路，在由伽马射线而产生的电离作用环境中，能经受的射线剂量可达到150兆拉德。而经过特别加工的硅线路，所能耐受的最大剂量也只是大约10⁶拉德。

对于致电离辐射的几乎完全抗扰性，是SDID对GaAs感兴趣的主要原因。现有的硅底板电路，一般在总剂量为10⁴拉德时就失效了。SDI的设计者相信，这一剂量很可能就是在一次战略性互相攻击后，航天器上设备在地球“加强了的”辐射带内，会遇到的最小剂量。没有GaAs，对核攻击与核攻击后监察能力的种种讨厌的限制都无用了，可能需要重新确定卫星轨道。GaAs对辐射的抗扰性，在和平与战争时期，还可能有更多用途，那就是核动力卫星的可行性，因为电子控制设备笨重的屏蔽会大为减少。

最近的将来

第一、二条试生产线，与DARPA配合工作，已经非常接近高技术水平了。尽管如此，洛克威尔国际公司和麦克唐纳 · 道格拉斯公司都已经超出第一代EMSFET和JFET技术的视野。在写本文时，有五家公司应DARPA/SDI0的要求，竞投建立技术先进的GaAs第三条试生产线，这两家也在应邀之列。第二代元件可能是外差结双极型晶体管和调制掺杂场效应晶体管，即增强型MESFET元件。这些技术使得高速度、低功率的线路更有希望 。