Kurzfassung

Die vorliegende Arbeit behandelt Grundlagen, die zur praktischen Optimierung von GaAs-basierten "High Electron Mobility" Transistoren (HEMTs) mit Hilfe numerischer Simulation notwendig sind. Es werden die prinzipielle Wirkungsweise von HEMTs sowie die Grenzen, die durch das verwendete Material System gegeben sind, beschrieben. Die Untersuchungen beinhalten sowohl den Einfluß mechanischer Verspannungen im Halbleiterkristall als auch Quantisierungseffekte von Elektronen im Kanal.

Die numerischen Simulationen werden mit dem Bauelementsimulator MINIMOS­NT durchgeführt. Die wesentlichen Modelle wie das Driftdiffusions- und Hydrodynamische Transportmodell sowie die notwendigen physikalischen Parameter werden beschrieben. Eine der wesentlichen Merkmale des Simulators ist die Aufteilung des Simulationsgebietes in verschiedene Segmente in welchen jeweils unterschiedliche Modelle und Materialparameter verwendet werden können. Die Verbindung der einzelnen Segmente wird durch Grenzflächenmodelle beschrieben. Die verwendeten Modelle berücksichtigen Effekte wie "Velocity Overshoot" und Tunneln von Ladungsträger durch Potential Barrieren.

Die Simulationsergebnisse werden anhand von DC- und S-Parametermessungen, extrahierten Daten, sowie Ergebnissen von Monte Carlo Simulationen durchgeführt. Um eine realistische Beschreibung des Bauelements zu erzielen, sind im wesentlichen drei Schritte notwendig. Es muß zunächst ein prinzipieller Aufbau bestehend aus Geometrie und Materialzusammensetzung des realen Bauelements entwickelt werden. Der zweite Schritt ist die Verwendung geeigneter Modelle für die unterschiedlichen Bereiche des HEMTs. Schließlich müssen bei der Anpassung von Simulationsergebnissen und Messungen Unsicherheiten berücksichtigt werden, mit der Bauelementparameter und physikalische Modellgrößen bekannt sind. Hierbei muß zwischen physikalisch richtiger Modellierung und einem reinen Nachbilden von Meßergebnissen unterschieden werden. Ausschließlich Charakteristiken, die physikalisch korrekt modelliert sind, können durch Variation von entsprechenden Parametern vorhergesagt werden.

Der so entwickelte Simulationsaufbau wird zur Untersuchung von HEMTs für rauscharme, Leistungs-, sowie Hochfrequenzanwendungen verwendet. Die Simulationsergebnisse werden jeweils anhand von gemessenen und extrahierten Daten verifiziert. Für die Simulation aller Bauelemente, die auf derselben Halbleiterschichtfolge basieren, wird nur ein einheitlicher Parametersatz verwendet. Obwohl in der Simulation ausschließlich Größen, die durch den Herstellungsprozeß definiert sind, angepaßt werden, ergibt sich eine sehr gute Übereinstimmung zwischen Simulierten und gemessenen Daten. Dabei decken die untersuchten gemessenen Bauelemente die gesamten technisch relevanten Gatelängen von 120 nm bis 500 nm und "Recess" Abmessungen von 70 nm bis 600 nm ab. Die Grenzfrequenzen reichen von 23 GHz bis über 120 GHz.

Aufgrund der exzellenten Übereinstimmung von Simulationen und Messungen können verläßliche Vorhersagen mit Hilfe der Simulation getroffen werden. Diese können nicht nur entscheidend dazu beitragen, die Bauelementeigenschaften zu verbessern, sondern auch Produktionsprozesse durch eine Optimierung von Bauelementeigenschaften, Ausbeute und Produktionskosten zu verbessern.

   
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