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绪论1

第一章化合物半导体材料及其器件的发展史7

1.1 化合物半导体材料的分类7

1.2 半导体器件的发展简史8

1.3 化合物半导体器件的发展方向10

1.4 化合物半导体的特性10

1.4.1 晶体结构10

1.4.2 化合物半导体的特点11

1.4.3 禁带宽度11

1.4.4 载流子迁移率15

1.4.5 能带结构16

1.4.6 混晶18

1.4.7 异质结20

1.4.8 结束语21

2.1.1 设计理论22

2.1.1.1 工作原理22

第二章低噪声 GaAs FET 的设计和特性22

2.1 低噪声 GaAs FET 的设计22

2.1.1.2 等效电路24

2.1.1.3 噪声系数25

2.1.2 结构设计27

2.1.2.1 晶体结构27

2.1.2.2 沟道形状29

2.1.3 制造技术31

2.1.3.1 晶体生长31

2.1.2.3 电极图形的形状31

2.1.3.2 制造工艺32

2.2 低噪声 GaAs FET 的特性和测试33

2.2.1 直流特性33

2.2.2 等效电路常数的测试33

2.2.2.1 S 参数33

2.2.2.2 等效电路常数的求出34

2.2.3 噪声特性36

2.2.3.1 噪声系数的测试36

2.2.3.2 微波GaAs FET 的噪声参数37

2.2.3.4 GaAs FET 的1/f 噪声38

2.2.3.3 微波GaAs FET 的噪声特性38

第三章高输出 GaAs FET 的设计和特性41

3.1 高输出 GaAs FET 的简史41

3.2 高输出 FET 的工作原理42

3.2.1 高输出 FET 的基本工作原理和最大输出以及饱和输出42

3.2.2 漏极效率和功率附加效率44

3.2.3 最大有效功率增益45

3.2.4 高输出 FET 的线性增益和大信号工作时的漏电阻46

3.2.5 B 级工作和高效率工作47

3.3 高频高输出 FET 的图形设计48

3.3.1 设计输出和总栅宽48

3.3.2 设计频率和单位栅宽49

3.3.2.1 由分布常数电路模型设计单位栅宽49

3.3.2.2 单位栅宽的实验讨论50

3.3.3 设计频率和芯片尺寸51

3.3.4 平衡工作和焊接区数52

3.4 FET 的耐压53

3.3.5.2 倒装焊结构53

3.3.5 高频高输出 FET 图形的构成53

3.3.5.1 交叉结构53

3.4.1 FET 的漏耐压54

3.4.2 FET 的栅耐压(横向栅耐压)54

3.5 FET 的热阻56

3.5.1 沟道温度上升和器件特性56

3.5.2 FET 的散热模型(梳状结构 FET)57

3.5.3 栅-栅间隔状58

3.5.4 衬底厚度和热阻58

3.5.5.1 利用正向栅-源电压温度依存性的方法59

3.5.5 热阻的测量59

3.5.5.2 用红外、显微镜直接测试器件的表面温度60

3.6 寄生效应的减小60

3.6.1 通孔结构61

3.6.2 考虑芯片尺寸的通孔结构61

3.7 高频高输出 GaAs FET 的特性和它的测试63

3.7.1 高频输出功率的测试63

3.7.2 FET 大信号工作时的阻抗测试64

4.1 可靠性及失效模式66

4.1.1 GaAs FET 的失效模式66

第四章GaAs FET 的可靠性及 GaAs FET 的应用66

4.1.1.1 电极短路时的模式69

4.1.1.2 与栅电极金属相关的模式71

4.1.1.3 和表面钝化层相关的模式72

4.1.1.4 漏电流的漂移74

4.2 抗辐照特性74

4.2.2 GaAs FET 的辐照效应的例子75

4.2.2.1 中子流辐照效应75

4.2.1 GaAs 和 Si 的比较75

4.2.2.2 质子辐照效应77

4.2.2.3 电子流辐照效应77

4.2.2.4 瞬态剂量效应77

4.2.2.5 γ射线总剂量效应77

4.2.3 有关γ线辐照效应的考察77

4.2.3.1 GaAs 晶体的辐照损伤77

4.2.3.2 欧姆电极的辐照损伤78

4.3 封装技术80

4.3.1.1 粘片81

4.3.1 封装技术的基础81

4.3.1.3 键合82

4.3.1.4 封装82

4.3.2 封装技术的开发动向82

4.3.2.1 向 MMIC 推进82

4.3.2.2 数字 IC 的外壳82

4.3.1.2 树脂粘82

4.4 应用 GaAs FET 微波性能的器件83

4.4.1 使用 GaAs FET 的微波混合集成电路83

4.4.2.2 卫星通讯用低噪声放大器84

4.4.2 低噪声放大器(LNA)84

4.4.2.1 可视微波通讯设备用低噪声放大器84

4.4.3 高输出放大器87

4.4.3.1 可视微波通讯设备用功率放大器87

4.4.3.2 卫星通讯用功率放大器87

4.4.3.3 频率倍增器87

4.4.3.4 负反馈功率放大器87

4.4.3.5 振荡-频率调谐器87

4.5.1 外差式微波发射、接收设备90

4.5 微波通讯设备90

4.5.2 模拟检波中继方式微波发射、接收设备91

4.5.3 数字检波中继方式微波发射、接收设备91

4.5.4 直接中继方式微波发射、接收设备91

4.5.5 毫米波通讯设备91

4.6 卫星通讯设备92

第五章超高速 GaAs 集成电路94

5.1 MESFET94

5.1.1 化合物半导体数字器件的分类94

5.1.2.2 工作原理95

5.1.2 MESFET 的工作原理95

5.1.2.1 结构95

5.1.2.3 电流-电压特性96

5.1.2.4 常通型 FET 和常断型 FET98

5.1.2.5 电子迁移率依赖于电场时的漏电流99

5.1.3 集成电路用的 MESFET100

5.1.3.1 集成电路用的 MESFET 的必要条件100

5.1.3.2 普通型 MESFET105

5.1.3.3 平面结构 MESFET107

5.1.3.4 自对准结构 MESFET108

5.1.3.5 Si 衬底上的 GaAs MESFET116

5.2 各种晶体管117

5.2.1 结型 FET117

5.2.1.1 基本结构及特征117

5.2.1.2 集成电路技术119

5.2.2 PBT 和 SIT121

5.2.2.1 埋入型 PBT123

5.2.2.3 PBT-IC125

5.2.3 绝缘栅 FET125

5.2.2.2 挖入型 PBT125

5.2.3.1 栅绝缘膜的成膜技术126

5.2.3.2 器件结构及电学特性127

5.2.3.3 异质结 IGFET128

5.3 单晶生长技术129

5.3.1 高速器件所需要的单晶生长技术129

5.3.1.1 衬底和有源层的制作技术129

5.3.1.2 半绝缘性控制技术131

5.3.2 HB 单晶技术131

5.3.2.1 大型单晶生长技术131

5.3.2.2 高纯度化技术135

5.3.2.3 低位错化技术136

5.3.2.4 半绝缘性控制技术138

5.3.3 LEC 单晶生长技术140

5.3.3.1 大直径化技术140

5.3.3.2 高纯度化技术141

5.3.3.3 低位错化技术143

5.3.3.4 半绝缘性控制技术144

5.3.4.1 外延生长技术145

5.3.4 外延单晶生长技术145

5.3.4.2 高阻外延单晶生长技术146

5.3.5 高速器件用单晶的评价技术147

5.3.5.1 衬底和有源区评价技术147

5.3.5.2 单晶缺陷对器件基本特性的影响151

5.4 制造技术153

5.4.1 导电层形成技术155

5.4.1.1 离子注入技术155

5.4.1.2 退火技术163

5.4.1.3 扩散技术166

5.4.2 电极形成技术167

5.4.2.1 欧姆电极形成技术168

5.4.2.2 肖特基势垒电极的形成技术171

5.4.3 绝缘膜形成技术174

5.4.3.1 表面氧化技术174

5.4.3.2 淀积法175

5.4.4 微细加工技术178

5.4.4.1 微细刻蚀技术的分类178

5.4.4.2 化合物半导体的刻蚀加工技术178

5.4.4.3 电极布线的刻蚀技术184

5.4.4.4 绝缘膜的刻蚀技术185

5.4.4.5 平坦化多层布线技术186

5.4.4.6 干法刻蚀诱生的损伤及表面清洗技术187

5.4.5 化合物半导体器件生产中的光刻技术189

5.4.5.1 各种曝光方式的问题及今后的动向189

5.4.5.2 今后的光刻技术193

5.5 设计技术194

5.5.1 器件分析194

5.5.1.1 FET 二维分析194

5.5.1.2 粒子模拟198

5.5.2 FET 电路模型199

5.5.2.1 物理模型199

5.5.2.2 SPICE 模型202

5.5.2.3 布线电容、电阻203

5.5.3 基本逻辑电路204

5.5.3.1 基本电路结构204

5.5.3.2 基本电路比较206

5.5.3.3 E/D 型 DCFL 的最佳工作条件208

5.5.3.4 DCFL 的速度与阈值容限的关系210

5.5.4 电路设计211

5.5.4.1 电路结构211

5.5.4.2 电路常数212

5.5.4.3 图形设计215

5.6 集成电路216

5.6.1 集成化的意义216

5.6.2 基本门的特性217

5.6.2.1 倒相器的开关性能217

5.6.2.2 环形振荡器219

5.6.2.3 分频器220

5.6.3 逻辑电路224

5.6.3.1 运算处理 IC224

5.6.3.2 通信集成电路230

5.6.3.3 A-D，D-A 变换 IC238

5.6.3.4 半定制 IC240

5.6.4 存储器 IC243

5.6.5 输入输出电路249

5.6.5.1 ECL 或 CML250

5.6.5.2 CMOS/TTL251

5.7 测量评价、组合封装技术252

5.7.1 测量评价技术253

5.7.1.1 基本元件的参数测量253

5.7.1.2 基本门电路的测量评价255

5.7.1.3 集成电路的测量评价256

5.7.2 封装技术259

5.7.2.1 超高速封装结构的设计259

5.7.2.2 封装方式260

6.1.3 基区内建场效应264

6.1.2 热载流子注入效应264

6.1 HBT 的结构和基本工作原理264

6.1.1 宽带隙发射区264

第六章异质结双极晶体管(HBT)264

6.2 HBT 的基本特性265

6.2.1 HBT 的直流特性265

6.2.1.1 直流特性测试用元件的制造265

6.2.1.2 开启电压265

6.2.1.3 跨导266

6.2.1.4 直流增益特性266

6.2.2 直流增益特性267

6.2.2.1 电流增益和不掺杂隔离层厚度及 n 值的关系268

6.2.2.2 电流增益和基区杂质浓度的关系269

6.2.2.3 电流增益和温度的关系269

6.2.2.4 电流增益和基区内建场的关系270

6.2.2.5 电流增益和基区厚度的关系270

6.2.3 HBT 的频率特性272

6.2.3.1 高频测试用器件的制造方法272

6.2.3.2 频率特性273

6.3.1.1 缓变层的生长274

6.3 制造技术274

6.3.1 晶体的生长和评价274

6.3.1.2 基板直接加热法276

6.3.1.3 异质结界面的 Be(铍)扩散278

6.3.1.4 用光电三极管评价晶体质量278

6.3.2 欧姆电极的形成280

6.3.2.1 元件制作法280

6.3.2.2 n 型 GaAs 的欧姆电极281

6.3.2.3 P 型 GaAs 欧姆电极282

6.3.2.4 AlGaAs 选择腐蚀液282

6.3.3 用质子注入的元件隔离法282

6.4 HBT IC282

6.5 HBT 的研究和发展285

6.5.1 AlGaAs/GaAs HBT285

6.5.2 InAlAs/InGaAs HBT285

6.5.3 GaInP/GaAs HBT285

6.5.4 Si/Si？-χGeχ/Si HBT285

7.1 各种类型情况下的异质结的平衡能带图287

第七章高电子迁移率晶体管(HEMT)287

7.2 器件基本结构和制造工艺291

7.3 HEMT 的电特性292

7.3.1 电流-电压特性293

7.3.2 电容-电压特性294

7.3.3 小信号特性296

7.4 HEMT 的 IC 技术297

7.4.1 HEMT 的 DCFL 电路297

7.4.3 集成电路试作例299

7.4.2 倒相器的基本结构和工艺技术299

7.5 HEMT 的最新发展及应用301

7.5.1 PHEMT301

7.5.1.1 器件结构与制作301

7.5.1.2 PHEMT 的工作原理301

7.5.1.3 常用参数公式302

7.5.2 InP 系 HEMT304

7.5.3 HEMT 的应用305

8.1 MISFET 的结构和制造工艺308

第八章MISFET308

8.2 MISFET 的电特性312

8.2.1 具有阳极氧化膜 MISFET 的电流-电压特性312

8.2.2 自对准型 InP MISFET 的 I-V 特性312

8.2.3 用 Si 超薄膜界面控制层的 In GaAs MISFET 的电特性312

8.2.3.1 I-V 特性312

8.2.3.2 跨导、饱和漏电流平方根和栅压关系313

8.2.3.3 gm 和 Lg 的关系313

8.3 用光 CVD 法淀积绝缘膜314

8.2.4 MIS 界面态密度分布314

8.2.3.4 漏电流的漂移特性314

8.3.1 光 CVD 的特征和分类315

8.3.2 用 KrF 激光淀积 SiO2 膜315

8.3.2.1 淀积 SiO2315

8.3.2.2 光 CVD 淀积 SiO2 和 Si3N4 的条件315

8.3.3 淀积膜特性316

8.3.3.1 淀积速度和衬底温度的关系316

8.3.3.2 淀积速度和激光输出的关系316

8.3.3.3 淀积速度和 O2/SiH4流量比关系316

8.3.3.4 膜淀积模型316