INTERKONEKSI IC DIGITAL BERBAHAN GALLIUM ARSENIDE. Andreas Ardian Febrianto. Intisari

Transkripsi

1 INTEKONEKSI I DIGITAL BEBAHAN GALLIUM ASENIDE (GaAs) Andreas Ardian Febriant INTEKONEKSI I DIGITAL BEBAHAN GALLIUM ASENIDE (GaAs) Andreas Ardian Febriant Prgram Studi Teknik Elektr Fakultas Teknik Elektrnika dan Kmputer UKSW Jalan Dipnegr 5-60, Salatiga 507 Intisari Tata letak keping I Digital berbahan GaAs memerlukan interkneksi untuk keperluan knsumsi daya dan transmisi sinyal. Interkneksi bahan GaAs perlu perhatian khusus karena transisi dengan kecepatan tinggi akan menghasilkan derau pada interkneksi. Derau dari transisi dengan kecepatan tinggi ini disebabkan adanya gelmbang pantul, cakap silang diantara jalur interkneksi, efek induktansi, pelaifan dan distrsi yang disebabkan rugi- rugi resistansi. Kata Kunci : Interkneksi, I Digital, GaAs. Kntak- Kntak dan Interkneksi pada Prses Pembuatan I Digital GaAs Kntak- kntak pada I Digital GaAs adalah kntak hmik dan kntak schttky. Kntak hmik pada I Digital GaAs secara tipikal dibuat dari kmbinasi lgam emas germanium nikel yang dicampur pada wafer dengan temperatur kurang lebih 450. Kntak schttky secara tipikal dibuat dari kmbinasi titan platina emas atau dari kmbinasi titan wlfram emas. Lapisan titan pada sistem ini menyediakan kntak schttky dengan halangan tinggi yang baik. Kelemahan bahan titan ini adalah dapat menimbulkan resistansi parasitik yang tinggi pada gerbang jika digunakan terpisah. esistansi parasitik ini dapat dikurangi leh lapisan atas kntak yang berupa emas. Emas mempunyai sifat amphteric dpant yaitu sifat yang dapat mengubah kntak schttky menjadi kntak hmik jika terjadi kntak antara emas dengan bahan GaAs. Hal ini diatasi 6

2 Techné Jurnal Ilmiah Elektrteknika Vl. 0 N. April 0 Hal 6 74 dengan penyisipan lapisan tengah berupa platina atau wlfram yang mencegah perubahan kntak tersebut dengan menjadi penghalang yang mencegah difusi emas ke permukaan bahan GaAs. Interkneksi peranti peranti pada I Digital GaAs umumnya membutuhkan paling sedikit dua lapisan lgam yang memungkinkan terjadinya crss ver crss ver. Lapisan lgam ke dua atau bagian atas umumnya menggunakan titan emas. Tebal lapisan lgam ke dua ini secara tipikal adalah 0,7,0 µm dan lebih tebal daripada lapisan lgam pertama atau bagian bawah, karena lapisan lgam ke dua ini digunakan sebagai jalur sinyal. Sedangkan tebal lapisan lgam pertama secara tipikal adalah 0, 0,5 µm dan digunakan sebagai jalur daya. Islasi secara elektrik antara dua jalur interkneksi dilakukan dengan penggunaan sebuah lapisan dielektrik penghalang atau intervening dielectric layer. Lubang - lubang Via dietsa melalui dielektrik ini pada lkasi lkasi yang benar saat interkneksi antara dua lapisan lgam dibutuhkan, seperti ditunjukkan dalam Gambar. Gambar. Skema Diagram Kneksi rss Over dan Via antara Dua Aras Metalisasi []. 64

3 INTEKONEKSI I DIGITAL BEBAHAN GALLIUM ASENIDE (GaAs) Andreas Ardian Febriant. Analisis Interkneksi I Digital GaAs Interkneksi kabel pada keping I Digital GaAs secara umum berupa metal strip yang diendapkan pada bahan GaAs ( r =,9) atau pada lapisan dielektrik seperti SiO ( r =,9 ), silikn nitride atau xynitride ( 4 r 8 ), plymide ( r =,5) dan pada dielektrik dari permukaan atas bahan GaAs berupa tekanan udara []. Tebal metal strip lebih tipis dibandingkan landasan semi-insulating. Landasan semi-insulating mempunyai resistivitas tinggi sehingga memudahkan islasi diantara beberapa peranti yang tersusun dalam landasan tunggal. Interkneksi pada bahan GaAs terdiri dari dua atau lebih lapisan berupa lgam. Pada bahan resitivitas tinggi seperti semimetals atau semicnductr terjadi jatuh tegangan yang akan mempersulit perancangan. Jatuh tegangan ini dihasilkan dari arus peralihan yang diperleh dari induktansi seri pada interkneksi untuk pendistribusian daya. Peralihan dengan kecepatan tinggi pada interkneksi diantara untai elemen aktif akan menyebabkan derau pada interkneksi distribusi daya dan interkneksi transmisi sinyal. Derau akibat transisi cepat ini disebabkan adanya gelmbang pantul, cakap silang diantara jalur interkneksi, efek induktansi akibat arus transient, pelaifan dan distrsi akibat rugi- rugi resistansi... atu Daya dan Perancangan Pembumian Tujuan distribusi daya adalah untuk menyediakan catu daya dan ptensial bumi knstan dan sama untuk setiap untai pada sebuah keping I. Tujuan distribusi daya dan transmisi sinyal akan lebih sulit dicapai dengan adanya beberapa masalah berikut ini.. Efek resistansi : resitivitas yang terbatas diatasi dengan penerapan v = ir.. Elektrmigrasi : prses migrasi lgam yang menghasilkan arus lebih pada penghantar diatasi dengan mematuhi batas kerapatan arus.. Efek induktansi : perubahan nilai induktansi menyebabkan perubahan tegangan diatasi dengan penerapan V= L di / dt. 65

4 Techné Jurnal Ilmiah Elektrteknika Vl. 0 N. April 0 Hal Efek esistansi Faktr ini dijelaskan dengan Persamaan (). esistivitas lgam tergantung pada temperatur dan sejumlah kecil elektrn dalam lgam dengan pla getaran mlekul gemetri. esitivitas lgam dan jatuh tegangan akan naik sebanding dengan kenaikan temperature mutlak (Kelvin). Sebaliknya resistivitas lgam akan turun sebanding dengan penurunan temperatur ruangnya dan akibat kenaikan tegangan, arus dapat meningkat sehingga tidak terjadi jatuh tegangan pada knduktr yang berupa lgam. = Lρ = ρs wt dengan adalah resistansi knduktr [ Ω / cm ]; w adalah lebar resistansi knduktr L w [cm]; L adalah panjang resistansi kndukr [cm]; t adalah ketebalan resistansi kndukr [cm]; ρ adalah resistivitas ρ s adalah sheet resistans [ Ω cm] ; dan [ Ω / cm]. () esistansi pada interkneksi distribusi daya dari satu jalur ke jalur lainnya perlu diperhitungkan menggunakan Persamaan () untuk menghitung jatuh tegangan pada sebuah knduktr. Arus untuk jalur daya pada jalur interkneksi pendek sehingga dianalisis menggunakan distribusi seragam. Distribusi seragam arus fungsi psisi x sepanjang jalur dijelaskan pada persamaan berikut. x I(x) = I T (- ) (). L Jatuh tegangan pada ujung jalur ( V) adalah sebagai berikut. L IT ρ V = x I dx = A L T 0 Lρ A (). 66

5 INTEKONEKSI I DIGITAL BEBAHAN GALLIUM ASENIDE (GaAs) Andreas Ardian Febriant... Elektrmigrasi Elektrmigrasi adalah satu prses migrasi lgam yang saat terjadi akan menghasilkan arus lebih pada penghantar dalam untai hubung buka. Prses ini menggangu kinerja keping I tempat untai pkk terdapat. Aturan perancangan secara elektrik digunakan untuk mencegah elektrmigrasi yaitu dengan mematuhi batas kerapatan arus yang diperblehkan pada sistem yang dirancang. Batas kerapatan arus maksimum (J max ) untuk sistem sistem lgam yang dikehendaki adalah J max = x 0 5 A/cm. Pengetahuan tentang nilai ketebalan lgam diperlukan sebab perhitungan kerapatan arus memerlukan luas penampang lintang yang diketahui. Nilai ketebalan lgam untuk prses selective- implant depletin-mde adalah sebagai berikut. Pada schttky metal 0, µm; dan pada secnd-metal 0,6 µm. Nilai arus pada lapisan- lapisan dengan lebar tertentu (dengan J max = x 0 5 A/cm ) adalah: arus pada schttky metal 00 µa untuk lebar sebesar λ; dan arus pada secnd-metal 600 µa untuk lebar sebesar λ. Aturan perancangan akan dinyatakan dalam λ yang dibuat tetap yaitu 0,5 µm. Aturan secara elektrik yang lain berhubungan dengan ukuran maksimum sembarang transistr MESFET tunggal.... Efek induktansi Faktr ke tiga yang menyebabkan kesulitan dalam distribusi daya adalah induktansi diri pada jalur transmisi. Induktansi L menyebabkan perubahan tegangan jika arus pada jalur berubah dengan rata- rata di/dt, menurut persamaan berikut : di V = L dt (4). 67

6 Techné Jurnal Ilmiah Elektrteknika Vl. 0 N. April 0 Hal 6 74 Induktansi pada jalur dihitung dengan L Z c eff = dan cz eff = dengan eff = dengan adalah ttal kapasitansi knduktr dalam lapisan dielektrik dan adalah ttal kapasitansi knduktr dalam ruang hampa. Karena L tidak tergantung dari maka lebih efisien dan tepat jika jalur berada dalam ruang hampa ( = = ) eff r eff... Delay Estimatin Ttal waktu tunda perambatan untuk I digital GaAs frekuensi tinggi dibuat cepat sehingga diperleh kecepatan yang tinggi. Efek yang perlu dipertimbangkan adalah kapasitansi jalur interkneksi, perambatan gelmbang elektrmagnetik, dan distribusi waktu tunda kapasitif.... rssver apacitance Ttal kapasitansi beban interkneksi meliputi kapasitansi jalur interkneksi dan kapasitansi yang muncul akibat crssing ver. rssing ver terjadi jika jalur pada satu lapis berada di bawah jalur pada lapisan lain. WZ +,9( Z + W 4 h x = 8,854x0 i ) dengan x adalah ttal kapasitansi crssver; i adalah knstanta dielektrik relatif islatr; W Z + ln.444 ln,444 Z + + W + (5) 4 h h h adalah jarak metal dengan permukaan GaAs pada Gambar [ µ m ]; Z adalah lebar metal pada Gambar [ µ m ];dan W adalah lebar metal pada Gambar [ µ m ]. 68

7 INTEKONEKSI I DIGITAL BEBAHAN GALLIUM ASENIDE (GaAs) Andreas Ardian Febriant Persamaan yang digunakan untuk menganalisis kapasitansi crssver diperleh dari Persamaan (5). Suku pertama Persamaan (5) adalah kapasitansi paralel lapisan lgam, sedangkan suku ke dua Persamaan (5) adalah kapasitansi tambahan yang tidak diinginkan, didekati dengan mdel micrstrip. a ir W M e ta l M e ta l d ie le tric h M e ta l G a A s Z Gambar. Gambar penampang lintang lapisan lgam pertama dan lapisan ke dua lgam crssver []. Tambahan berupa kapasitansi beban yang tidak diinginkan dihasilkan dari bidang pengikat dan bidang prbe. Bidang pengikat biasanya 00 x 00 µm berupa bidang lgam pada landasan semi insulating pada tepi keping I. Bidang prbe berguna karena dipakai untuk pengujian prbe. Bidang berukuran 0 x 0 µm dapat menjadi prbe jika berada di sekitar untai. Pendekatan micrstrip digunakan untuk menghitung kapasitansi dari bidang dijelaskan dengan persamaan berikut. zε p = πε eff ( W ) Wε eff ( z) + - ε ε r Wz ln(8h / W ) ln(8h / z) h (6) dengan πε = 5,559 x 0-7 F/µm; p adalah kapasitansi diri (mdel micrstrip) W adalah lebar dari bidang [m]; z adalah panjang dari bidang [m]; dan h adalah tebal landasan [m]. Pada kndisi kapasitansi jalur micrstrip berupa dua knduktr yaitu knduktr pertama dengan lebar W dan panjang z, paralel dengan knduktr kedua 69

8 Techné Jurnal Ilmiah Elektrteknika Vl. 0 N. April 0 Hal 6 74 dengan lebar z dan panjang W. Knstanta dielektrik effektif knduktr pertama dan knduktr kedua dengan h/w dan h/z dijelaskan dengan persamaan berikut. ε eff (W) = dan ε eff (Z) = ε r + ε + r ε r + ε + r + h W h + z Jalur transmisi sebaiknya cukup pendek dan lebar agar prpagasi gelmbang pada jalur interkneksi tidak mengalami rugi- rugi. Knduktr sebaiknya dibuat tipis untuk interkneksi sinyal kecepatan tinggi. (7) (8) 70

9 INTEKONEKSI I DIGITAL BEBAHAN GALLIUM ASENIDE (GaAs) Andreas Ardian Febriant... Waktu Tunda Interkneksi Beberapa mdel interkneksi yang cck dipakai. Z,T Gambar Gambar.. Mdel.6. Mdel.[] Gambar 6. Mdel TL. [] Z. T Z 4.T Z. T Gambar 4. Mdel L.[] Gambar 7. Mdel TL4.[] Gambar 5. Mdel P. [] Mdel sederhana celah kapasitr (bersumber dari mdel ) dan impedansi karakteristik digunakan untuk menganalisis struktur jalur transmisi. Kapasitansi beban meliputi jumlah kapasitansi jalur, kapasitansi crss-ver dan kapasitansi yang menyebar. Mdel secara akurat dibatasi dua kndisi sebagai berikut. Lambang t r dan G >> (9); Z dan T<< t r atau t f (0). t f adalah waktu muncul dan waktu hilang driver atau gerbang lgika atau inverter. Kndisi pertama, yaitu Persamaan (9) diterapkan ketika sumber 7

10 Techné Jurnal Ilmiah Elektrteknika Vl. 0 N. April 0 Hal 6 74 impedansi efektif driver ( G ) lebih besar daripada Z interkneksi. Kndisi ke dua, yaitu Persamaan (0) diterapkan ketika 7 G kecil, sehingga panjang jalur transmisi cukup pendek. Sinyal akan dipantulkan dari beban kembali ke generatr dan dipantulkan kembali ke arah beban jika selang waktu dari pantulan pertama kecil dibandingkan tanggapan waktu untai lgika, sehingga batas derau dinamik akan dilampaui. Untai memakai mdel digunakan untuk mempertimbangkan waktu tunda perambatan atau waktu muncul dalam analisis jalur interkneksi, crssver, dan kapasitansi efektif masukan gerbang tambahan. Persamaan () adalah persamaan tegangan keluaran yang menghasilkan pengisian kapasitr leh knstan maka. dan V ( t) = V t G ( e ) G, pada keadaan arus generatr G (); t 50 % = 0,69 G (); t = t =, (). r f G Mdel ekspnensial tunggal tidak tepat digunakan karena gerbang lgika bukan untai linear. Dua hal yang tidak diijinkan dalam mdel yaitu jika G / Z <0, dan jika jalur menyerupai distribusi jaringan dengan resistansi dan kapasitansi membentang melebihi panjang jalur. Dalam mdel, prpgasi elektrmagnetik diabaikan. Mdel L dengan L adalah lambang untuk lw pass. dan yang meningkat secara linear terhadap panjang ( l ) dapat digunakan untuk menganalisis hubungan antara waktu tunda dan waktu prpagasi elektrmagnetik (waktu tunda L). Waktu tunda sebanding dengan kuadrat panjang jalur interkneksi dan waktu tunda L berbanding lurus dengan panjang jalur interkneksi. Batas maksimal waktu tunda jalur diperleh dengan meningkatkan lebar jalur interkneksi atau impedansi jalur untuk I kecepatan tinggi seperti I GaAs. Distribusi untai mempunyai waktu tunda lebih cepat daripada celah untai dengan ttal dan yang sama. Mdel pi yang ditunjukkan dalam Gambar 8 lebih tepat dari mdel L. Tiga bagian jaringan pi ditunjukkan sebagai P, bahkan dua atau satu bagian pi cukup.

11 INTEKONEKSI I DIGITAL BEBAHAN GALLIUM ASENIDE (GaAs) Andreas Ardian Febriant Tabel menjelaskan hubungan Z dan Z (dengan =l) yang G melebihi mdel P lebih teliti. Mdel P merupakan mdel jalur transmisi murni sehingga pengaruh jalur interkneksi dapat diabaikan. Gambar sampai Gambar 7 mewakili jalur transmisi yang terjadi pada interkneksi. Kefisien pantul negatif pada ujung jalur akan diperleh jika G / Z = 0,, yang menghasilkan silasi dan tidak dapat dimdelkan sebagai jaringan. Jalur transmisi ideal (TL) untuk mdel interkneksi pendek dengan driver G rendah. Jalur transmisi ideal didapat pada interkneksi untai lgika dengan tanggapan waktu t r atau t f >> T, selang waktu pantulan negatif pertama. ugi- rugi jalur transmisi dimdelkan seperti Gambar 7, dengan memtng jalur dalam Gambar 6 menjadi bagian dalam Gambar 7 dan menyisipkan bagain yang setara dengan resistansi seri. Waktu tunda untuk masing- masing mdel meningkat dari Gambar ke Gambar 7. Tabel. Mdel yang Ditawarkan ( Sumber Gambar sampai Gambar 7 ) untuk Prediksi Waktu Tunda Interkneksi []. G Z Z TL TL 0.5 TL4 TL4 P.0 TL4 TL4 P.0 TL4 P P. Kesimpulan Interkneksi untai terintegrasi digital dengan kecepatan kinerja dan frekuensi kerja tinggi mengalami masalah penting dalam interkneksi dan prediksi waktu tunda dibanding interkneksi untai terintegrasi digital dengan kecepatan kinerja rendah. Masalah yang dapat terjadi dalam interkneksi untai terintegrasi digital dengan menggunakan bahan GaAs 7

12 Techné Jurnal Ilmiah Elektrteknika Vl. 0 N. April 0 Hal 6 74 adalah masalah interkneksi distribusi daya dan interkneksi transmisi sinyal diatasi dengan menggunakan teknlgi lapisan lgam jamak, dan perancangan catu daya dan pembumian. Analisis secara peridik interkneksi jalur transmisi sinyal dan jalur distribusi daya yang terdapat pada keping I Digital berbahan GaAs, dapat dilihat seperti struktur sepasang micrstrip, stripline maupun.cplanar. Daftar Pustaka []. Daemkes, Heinrich, Mdulatin Dped Field - Effect Transistr Principal / Design & Technlgy, IEE PESS, New Yrk, 99. []. Harrld, S.J., An Intrductin t GaAs I Design, Prentice Hall Internatinal, New Yrk, 99. []. Lng, Stephen I, GaAs Digital I Design, Mc Graw Hill Bk mpany, Singapre, 990. [4]. Sares,bert,ed, GaAs MESFET ircuit Design, Artech Huse Inc, Bstn and Lndn,