Mikroelektronik auf III-V-Halbleitern/ Microelectronics on III-V-Semiconductors

Abstract

Dr. Walter A. Kellner ist in der ZentralenForschung und Entwicklung tätig, wo er an Technologie, Bauelementen und Schaltkreisen auf GaAs arbeitet. Er leitet inneri halb der Fachabteilung III-V-Elektronik ? die Fachgruppe MESFET-Schaltungen. Die hohe Elektronengeschwindigkeit in III-V-Halbleitern ist der physikalische Grund für die erfolgreiche Entwicklung von Bauelementen für die schnelle Elektronik. Die wichtigsten III-V-Bauelemente (MESFET, HEMT, HBT) werden vorgestellt. Digitale Schaltungen mit GaAs-MESFET sind bezüglich Gatterverzögerungszeit und Verlustleistung den besten verfügbaren Silizium-Schaltungen überlegen, erreichen aber nicht deren Komplexität. Analoge Schaltungen bis zu Frequenzen von 30 GHz werden auf MESFET-Produktionslinien gefertigt. Im Bereich 30-100 GHz liegen hervorragende Forschungs-Ergebnisse mit HeteroStrukturBauelementen vor.The high electron velocity in III-V-semiconductors is the physical reason for the successful development of devices for high-speed electronics. The main III-V-devices (MESFET, HEMT, HBT) will be presented. Digital circuits with GaAs MESFET outperform the best available Silicon circuits with respect to gate delay time and power consumption, however, without reaching the complexity of Silicon circuits. Analog circuits up to frequencies of 30 GHz are being manufactured on MESFET production lines. In the frequency range 30-100 GHz excellent R&D-results based on heterostructure devices (HEMT, HBT) have been reported. EinführungAuf die Schlüsselrolle der III-V-Halbleiter für die Halbleiter-Optoelektronik und für die Integration von Optik und Elektronik auf einem Chip weist C. Weyrich im Editorial dieses Heftes hin. Der vorliegende Beitrag behandelt ausschließlich Bauelemente und Schaltungen auf III-V-Halbleitern, unter denen Galliumarsenid (GaAs) eine besonders wichtige Stellung einnimmt.Hält man sich die Erfolge der Silizium-Mikroelektronik vor Augen -vgl. dazu die Artikel von A. Wieder und H.-M. Rein in diesem Heft -so drängt sich die Frage auf, ob III-V-Halbleiter gegen die Übermacht des Siliziums überhaupt die Chance besitzen, sich technisch und kommerziell durchzusetzen. Es wird im folgenden gezeigt, daß GaAsBauelemente und -Schaltungen dort, wo durch ihren Einsatz für das System entscheidende Vorteile entstehen, bereits heute erfolgreich eingesetzt werden. Diese Vorteile sind auf die Materialeigenschaften (Abschnitt 2) der III-V-Halbleiter zurückzufüh-ren, wodurch Bauelemente (Abschnitt 3) mit einzigartigen Hochfrequenz-Eigenschaften entwickelt werden konnten. Mit diesen Bauelementen werden sowohl digitale (Abschnitt 4) als auch analoge Schaltungen (Abschnitt 5) realisiert.Vor dem Einstieg in das Thema der III-V-Bauelemente und -Schaltungen sei ein kurzer Über-blick über Systeme versucht, die HochfrequenzBauelemente benötigen: Tab. 1 zeigt eine Übersicht über III-V-Bauelemente und ihre Systemanwendungen [1], Tabelle 1: Elektronische III-V-Bauelemente und ihre Anwendungsgebiete