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GaAs MESFET器件与光通信GaAs电路的研究

作　者: 詹琰
导　师: 夏冠群
学　校: 中国科学院上海冶金研究所
专　业: 微电子学与固体电子学
关键词: GaAs MESFET 阈值电压均匀性 旁栅效应 光纤通信 判决电路 时钟提取电路
分类号: TN386.1
类　型: 博士论文
年　份: 2001年
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内容摘要


GaAs器件与电路具有高速度、低功耗、小噪声、耐高温、抗辐射等优点，在光纤通信、卫星、超高速计算机、高速测试仪器、移动通讯和航空航天等领域中有着重要的应用。而近年来，光纤通信技术的迅速发展使得超高速GaAs集成电路的研究成为必然。随着GaAs集成电路的发展，集成度的提高，对GaAs单晶阈值电压均匀性的要求也越来越高。 本文讨论了GaAs MESFET器件模型。由二区间模型导出了IDS与VGS和VDS的关系。但由于计算过于复杂，而工艺又多变，使用物理模型处理电路模拟时，误差较大。因此在电路模拟程序SPICE或PSPICE中通常采用Curtice模型和Statz模型。研究结果表明使用Sta地模型更适合GaAs电路的模拟。 本文设计了一套适合多种工艺的阈值电压均匀性研究测试版图，包括多种材料参数及工艺参数测试图形。分别对采用隔离注入挖槽工艺和平面选择离子注入自隔离工艺制备的GaAs MESFET阈值电压均匀性进行了比较研究。结果表明，采用平面工艺制备的GaAs MESFET阈值电压均匀性比采用挖槽工艺制备的GaAs MESFET阈值电压均匀性更好。 本文对分别采用隔离注入挖槽、平面自隔离和平面离子注入隔离三种工艺制备的GaAs MESFET旁栅效应进行了研究。结果表明，采用注入隔离工艺制备的MESFET的旁栅效应比采用自隔离工艺制备的MESFET的旁栅效应要小。因此，采用注入隔离工艺可以减小器件的旁栅效应。另外，还采用平面选择离子注入隔离工艺，开展了旁栅效应的光敏特性、迟滞现象、旁栅效应对MESFET阈值电压的影响、MESFET漏源电压对旁栅阈值电压的影响、漏源交换对旁栅阈值电压的影响、旁栅阈值电压与旁栅距的关系、旁栅效应与浮栅的关系等研究。 本文建立了一套阈值电压自动测试系统，可对半绝缘GaAs单晶上制作的 MESFET器件的阈值电压进行自动测量，具有效率高、可靠性好的优点。测 试样品可以为rpZ和p3英寸以及p3英寸以下不规则片，并可给出阈值电压的 测量数据，作出阈值电压的mapping图，对阈值电压进行统计，计算阈值电 压的统计平均值、标准偏差等。该系统既是国内第一套也是国内独有的一套 GaAs阈值电压自动测试系统，对于开展国产GaAs材料与阈值电压均匀性关 系的研究具有重要的意义。 本文开展了2．SGb乃光纤通信用GaAS超高速判决电路的研究，设计了栅 长…m、耗尽型GaAs MESFET判决电路，经过PSPICE电路模拟和实际流片；测试，均验证该电路功能正确，达到了设计要求。电路判决灵敏度为20mV，5 静态功耗为 35mw，芯片面积为 0．76 minXI．08mm，传输速率可达 2．SGb儿， 可应用于覆盖二．SGb／S系列光纤通信系统。该研究在国内属先进水平。 本文进行了2．SGb沾光纤通信用GaAs超高速时钟提取电路的研究，设计 的时钟提取电路经SPICE模拟，结果表明，电路可实现正确的功能，时钟频。率达 2．5 GHz。在国内还未见这方面的研究报道。由于实验条件和时间的限制， 未对该电路进行流片工作。

全文目录


中文摘要  2-4
英文摘要  4-6
目 录  6-8
引 言  8-10
第一章 文献综述  10-22
  1．1 GaAs材料的特性  10-12
  1．2 GaAs器件  12-14
  1．3 GaAs逻辑电路  14-16
  1．4 GaAs集成电路的发展和应用  16-17
  1．5 GaAs集成电路工艺  17-20
  1．6 国内外GaAs阈值电压均匀性研究概况  20-21
  1．7 光纤通信概况  21-22
第二章 GaAs MESFET器件模型  22-36
  2．1 GaAs MESFET物理模型  22-29
  2．2 电路模拟程序PSPICE中的GaAs MESFET器件模型  29-31
  2．3 GaAs MESFET器件模型参数的提取  31-35
  2．4 小结  35-36
第三章 GaAs MESFET阈值电压均匀性研究  36-55
  3．1 GaAs MESFET阈值电压及其测量  36-37
  3．2 GaAs MESFET阈值电压均匀性及其影响因素  37-43
    3．2．1 GaAs MESFET阈值电压均匀性  37
    3．2．2 GaAs MESFET阈值电压均匀性的影响因素  37-43
  3．3 阈值电压均匀性测试版图的设计  43-49
    3．3．1 阈值电压均匀性测试版图的总体设计  43-44
    3．3．2 测试结构及其原理  44-49
  3．4 GaAs MESFET工艺及其对阈值电压均匀性的影响  49-54
    3．4．1 GaAs MESFET工艺  49-52
    3．4．2 不同工艺对GaAs MESFET阈值电压均匀性的影响  52-54
  3．5 小结  54-55
第四章 GaAs MESFET旁栅效应研究  55-67
  4．1 GaAs MESFET中的旁栅效应  55-56
  4．2 旁栅效应的特性及抑制旁栅效应的方法  56-59
    4．2．1 旁栅效应的特性  56-58
    4．2．2 抑制旁栅效应的方法  58-59
  4．3 不同工艺制备的GaAs MESFET的旁栅效应  59-60
  4．4 同种工艺旁栅效应特性的研究  60-66
  4．5 小结  66-67
第五章 阈值电压自动测试系统  67-75
  5．1 阈值电压自动测试系统结构和功能  67-70
  5．2 实验  70-71
    5．2．1 版图的设计  70-71
    5．2．2 工艺  71
  5．3 测试结果  71-74
  5．4 小结  74-75
第六章 GaAs判决电路  75-96
  6．1 光纤通信系统  75-78
    6．1．1 光纤通信系统组成  75-77
    6．1．2 光纤通信的优点  77-78
  6．2 GaAs判决电路设计  78-89
    6．2．1 判决电路概述  78-79
    6．2．2 电路的设计  79-84
    6．2．3 电路模拟及优化  84-86
    6．2．4 版图设计  86-89
  6．3 实验  89-91
    6．3．1 工艺设计  89
    6．3．2 工艺流程  89
    6．3．3 主要工艺讨论  89-91
  6．4 结果与讨论  91-95
  6．5 小结  95-96
第七章 GaAs时钟提取电路  96-101
  7．1 时钟提取电路设计  96-97
  7．2 时钟提取电路模拟  97-98
  7．3 定时再生电路模拟  98-100
  7．4 小结  100-101
第八章 结论  101-103
参考文献  103-107
发表文章目录  107-108
致谢  108

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中图分类: > 工业技术 > 无线电电子学、电信技术 > 半导体技术 > 场效应器件 > 金属-氧化物-半导体（MOS）器件
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