GaAs 集成电路研究

综述随着社会生产力的发展，人类对信息的需求急剧增大。

人们普遍认为，今后20年左右将是世界高新技术发展的重大转折时期。

21世纪，人类将从工业时代进入信息时代。

在当今信息技术中起主导作用的是微电子技术，其传递信息的主体是电子，信息的处理主要是由集成电路（IC）完成的。

超高速集成电路的迅速发展带动了相应的测试技术的发展并已应用到高速电信网络及其相应的测试设备中。

为了降低高速集成电路的开发成本和研制周期，就需要一种能够对集成电路内部节点进行无侵扰测量的仪器。

目前对高速集成电路内部特性的测试有多种测试方法，其中电光采样（Electro-optic Sampling）技术己被证明是一种动态无侵扰检测集成电路的最有效方法[1～4]。

它的理论基础是利用电光材料的线性电光效应（又称为普克尔斯效应，Pockel’s effect)。

在技术上它是用激光作为测量光束实现对电信号的波形测量。

国外从80年代开始研究高速电光采样测量技术[1～2]。

电光采样最先是为了测量高速GaAs集成电路而发展起来的，而后又研究用相关的技术来测量Ge、Si集成电路[3～4]。

电光采样技术中最重要的部分是电场传感器（又称为电光探头），本论文的主要目的是应用研制的电场传感器对集成电路进行测试，因此有必要对GaAs集成电路和电光测量技术的发展作一简单的概述。

本章主要内容是根据与电光测量技术相关的文献，经过比较分析，对电光测量领域的有关理论技术及发展趋势作一简要的综述，并由存在的问题提出应用聚合物电光材料来制作电场传感器，进而提高电光测试系统的空间分辨率和测试灵敏度。

　§1.1 GaAs集成电路概述第一个单片集成的GaAs高速集成电路是在1974年由Hewlett Packard公司的R.V.Tuyl和 C.A.Liechti两人在国际固体电路会议（ISSCC）(Int. Solidstate Circuits Conf.)上提出的[5]。

在会上他们报道了该公司研制成功的超高速“与或非门”GaAs电路。

该电路采用BFL（Buflered FET Logic）逻辑，双电源供电。

电路中使用耗尽型GaAs MESFET(Metal－Semiconductor Field Effect Transistor)作为有源器件，夹断电压为-2.5V，栅长1微米。

用外延台面绝缘，有源层厚度为0.3微米。

两年后，1976年2月，在同一个会议上，仍是他们两人，报道了他们研制成功的最高时钟频率为2千兆赫的二分频器[6]。

仍采用BFL逻辑，工艺上应用了双层布线，并改善了有源层的均匀性，使芯片尺寸大为减小，实现了中规模集成。

GaAs集成电路的产生，是微电子学高速化要求和GaAs器件本身特点相结合的必然结果。

随着信息技术的进步，大规模集成电路正沿着以下诸方向发展：（1）高集成密度；（2）低的单门功耗；（3）高速度（低的门延迟时间）；（4）极低的开关能量（低的功耗延迟积）；（5）高成品率。

在超高速集成电路应用中，由于GaAs材料的电子迁移率和肖特基势垒都比Si材料的高，因此GaAs器件与Si 器件相比具有速度快、功率低、工作温度高和抗幅射强等明显优点。

所以目前大多数高速和微波集成电路使用的都是GaAs材料。

而且GaAs材料在集成光学领域中也获得了广泛的应用。

GaAs集成电路自70年代问世以来，得到了迅速的发展，大约经历了低噪音GaAs FET 放大器，门电路和分频器三个阶段。

目前，国外GaAs 高速分频器最高时钟频率已经达到30GHz ，而且更高时钟频率的分频器仍在研制之中。

随着GaAs 高速集成电路的不断发展，对测试技术也提出了更高的要求。

传统的整体外部测试已不能满足需要，因此，电光采样技术自八十年代起迅速发展起来[7～9]。

这种测量技术，不仅测量带宽超过目前的电子取样示波器，而且可以对高速和微波集成电路芯片内部动态特性进行无接触、无侵扰检测。

研究结果表明，这是目前对GaAs 高速集成电路检测的最有效手段之一，而且也对GaAs 集成电路的发展起到了促进作用。

但是这种测量是一种内部电光测量材料，它局限于只有在电光晶体（如GaAs 、InP 等材料）上的集成电路，尚不能测量非电光晶体衬底上的集成电路。

于是许多科研工作者在90年代前后开展外部电光测量的研究工作，并应用外部电光采样技术测量其它的集成电路和器件[10～13]。

无论外部电光测量还是内部电光测量，都是利用无机晶体材料的电光效应，在外加电场的作用下，对激光束进行调制的测量过程。

当电场加在电光晶体上时，使其产生非中心对称性，当光束通过非对称晶体时就会产生双折射，即产生以折射率为n 0的寻常光和折射率为n e 的非寻常光。

其折射率的变化可能产生线性效应（普克尔效应）或平方效应（克尔效应）。

这两束光在晶体中传播的路径与入射光及晶体光轴的相对位置有关。

当入射光束垂直于晶体光轴方向，即晶体光轴与入射晶体端面平行时，光束在晶体中仍产生沿光轴方向振动的非寻常光和垂直于光轴方向振动的寻常光。

它们不产生偏离，但因e n n ?0,这两束光经过晶体后，形成一定的相位差，????2＝，??e n n d ??0＝,d 为晶体厚度。

这两束光具有一定相位差，只要使它们的振动方向一致就可以产生干涉。

晶体的电光调制中加电场方向通常有两种方式：一种是电场沿晶体主轴加到晶体上，而取通光方向与电场方向垂直，即产生横向电光效应；另一种是通光方向与电场方向平行，产生纵向电光调制。

因此依取样光束方向与电场方向的关系，可分为纵向电光采样和横向电光采样[12～14]。

§1.2电光测量技术的产生和应用随着半导体技术的发展，器件的工作速度得到了极大的提高，已进入GHz 量级。

例如，InGaAs PIN 光电二极管的响应时间达到9ps [15]，GaAs MESFET 的最高振荡频率已超过了110GH Z [16]，而且时钟频率在26GH Z 以上的GaAs 数字集成电路[17]和100GH Z 的单片毫米波电路也有报道，这些超高速器件的发展，对已有的测试手段及能力提出了严峻的挑战。

对高速器件的常规测试方法一般是将其通过电学方法连接到取样示波器、频谱分析仪、网络分析仪等仪器上测试其时域或频域特性，这就不可避免地要受到仪器自身测试能力的限制。

目前，频谱分析仪的带宽只有40GHz ，其指标已不能满足测试需要，而且这种测试方法只能检测器件整体的输入与输出特性，不能对器件，尤其是大规模IC 的内部特性进行检测。

因此，为了提高测量带宽或对IC 内部检测，一些新的测量技术相应发展起来。

电子束或扫描电子显微镜（SEM ）探测法是测量硅集成电路逻辑电平的有效方法[18～19]。

在IC 芯片内部的信号传输线上，用扫描电镜里的电子束激励待测电路互连线上的二次电子发射，并对这些发射出来的二次电子进行测量，从而测定信号电压波形。

这种技术的灵敏度达到1～10mV ，空间分辨率达到20nm 。

其缺点是用超短光脉冲帮助扫描电镜产生短的大电流电子束脉冲，设备复杂，价格昂贵；其带宽和时间分辨率也都不够高，而且电子束和二次电子收集场会引起器件衬底内的电荷密度变化[3]，对高速电路的工作状态是有影响的。

还有一种是光发射采样技术[20～22]，这种技术利用高功率激光脉冲会聚到IC 的金属互连线上产生二次电子发射，对这些发射出来的电子进行测量就可以间接地测量互连线上的电信号。

此方法具有高的时间分辩率，但其实施需要真空环境，技术也相当复杂。

光电导开关采样技术[23～24]利用ps 级光脉冲触发光电导开关产生电脉冲作为电子采样门，此技术受到光电导开关与被测系统连接方式的限制，尤其不适用于IC 内部。

约瑟夫逊异质结采样技术[25～26]的时间分辩率已达到2ps ，但此技术实施需要低温环境，而且也不能检测IC 内部特性。

其它的测量技术还有如利用自由电荷密度变化等来测量硅集成电路器件的方法[27～28]。

1982年，在美国Rochester 大学做研究工作的J.A.Valdmanis 等人第一次报道了高速电光采样系统[1,29]，其原理如图1.1所示。

该测试系统以非中心对称晶体的线性电光效应为基础，利用超短光脉冲作为取样门，将晶体电场变化转变为光强的变化。

与上述几种测试方法相比，电光采样通过光与被测电场之间的耦合作用进行测试，不需要从被测器件或电路中“抽取”电荷，因此对被测系统的电磁干扰极小。

由于激光脉冲可以达到亚ps 量级，而且激光束可以被聚焦至微米量级，因此该项技术具有极高的时间分辩率和空间分辩率。

此技术与微弱信号检测技术相结合，可以获得微伏级电压灵敏度。

由于电光采样技术具有如此众多的优点，因此在1982年首次报道后得到非常迅速的发展，世界各地很多大学及研究机构的实验室纷纷报道了各自独特的电光采样系统[30～33]。

到目前为止，按照具有电光效应的晶体与待测器件之间的关系，这些测量系统大致可以分为三类，即内部检测，外部检测及混合连接检测。

Lock-inAmplifierAverager Picosecond LaserDisplay图1.1 电光采样系统原理图内部检测，就是待测器件制备在具有Pockels效应的电光晶体上，采样光束通过衬底内的线性电光效应检测器件的电场情况，故又称直接检测，如图1.2(a,b)所示。

1984年，B.H.Kolner等人报道了在GaAs衬底的传输线上传输信号的直接电光采样[34]。

内部检测方法直接使用器件的芯片作为电场传感器进行测量，很容易引入多个测试点，具有较高的空间分辩率和电压灵敏度[35]。

此方式适用于具有非中心对称结构的晶体，像GaAs、InP和GaP等晶体即属此类。

外部检测就是用具有线性电光效应的基质作为取样器，将其贴近待测器件表面，使器件表面电路上的电场延伸进入取样器内，再用光束测量取样器中的电场。

1987年J.A.Valdmanis等人发展了外部电光检测技术[36]，如图1.2(c,d)所示。

此技术空间分辩率较低，电压灵敏度很大程度依赖于取样器与器件之间的距离。

所谓混合连接采样，就是制作一个独立的取样器，取样器的基质为电光材料，其上淀积金属传输线，然后将其与待测器件进行电学连接，使器件内的待测信号传输到取样器内再用光进行测量，实际上，取样器只相当于一个外连的示波器探头。

这种方法只能测量器件的外部特性，但它的时间分辩率要明显优于示波器。

B.H.Kolner等人用此方法测量了平面GaAs肖特基超快光电二极管的脉冲响应[34]。

与内部采样和外部采样相比，混合连接采样对待测器件的材料、形状及光学性质没有特殊要求，但其带宽受连接线的限制有所降低。

图1.2 电光检测的分类：内部探测（a,b）和外部探测(c,d)结构示意图做为光脉冲产生源的激光器，在电光采样系统中占有举足轻重的地位，直接决定了整个测试系统的时间分辨率及电压灵敏度。