2.4 MESFET, HFET und HBT

Die unipolaren Bauelemente auf GaAs-Basis - MESFET und HFET - verfügen im Vergleich zum bipolaren HBT über einen großen zeitlichen Entwicklungsvorsprung. Zwar sind HFETs, MESFETs und HBTs in Anwendungsgebieten bis etwa 30 GHz recht gleichmäßig vertreten, jedoch dominiert der HFET bei den Frequenzen des Millimeterwellenbereichs, obwohl auch MESFET-Schaltungen und diskrete HBTs gute Ergebnisse liefern. Allerdings ist der HFET gegenüber MESFET und HBT heute noch aus Qualitätsgründen im gesamten Millimeterwellenbereich nur schwer zu überbieten [74].

Die Vorteile der unipolaren Bauelemente gegenüber dem HBT liegen auf der Hand:

• Während MESFETs und HFETs in planarer Technik hergestellt werden können, werden HBTs in Mesa-Technik gefertigt. Das erfordert zusätzliche Planarisierungsschritte. Zudem erfordern Fertigungsprozesse für unipolare Bauelemente im allgemeinen weniger Maskenebenen als HBT-Prozesse.
• Unipolare Leistungsbauelemente (power HFET/MESFET) haben meist sehr langgezogene, schmale Abmessungen. Ihr thermischer Widerstand ist daher meist kleiner als der eines HBT. Außerdem sind auch bei Leistungsbauelementen die Stromdichten noch wesentlich kleiner, als bei einem HBT. Damit kommt es bei HFETs und MESFETs nicht zu einer starken Selbsterwärmung. Im Gegensatz dazu sind HBTs thermisch limitiert. Zwar können aufgrund der kompakten HBT-Geometrie hohe Flächenleistungsdichten erzielt werden, die resultierende Selbsterwärmung führt jedoch zur Degradation der Transistoreigenschaften.
• MESFETs sind prozeß- und schaltungstechnisch bis mindestens 20 GHz in hohem Maße optimiert und weisen ein ausgezeichnetes Preis/Leistungsverhältnis auf. HFETs zeigen ausgezeichnete Hochfrequenzeigenschaften und sind schaltungstechnisch etabliert. Da sie den gesamten mit HBTs zugänglichen Bereich bereits effizient abdecken, stellt sich die Frage nach der Rentabilität einer weiteren teuren Technologie.
• HFETs weisen hauptsächlich aufgrund der Entkopplung von Dotierstoffatomen und Leitungselektronen hervorragende Rauscheigenschaften auf. Sie werden daher bevorzugt für rauscharme Erfordernisse eingesetzt.

Im Gegenzug weisen die HBTs durchaus auch einige Vorteile gegenüber den unipolaren Bauelementen auf:

• HBTs sind vertikale Bauelemente, deren Mindeststrukturgrößen im mm-Bereich liegen und sind damit selbst mit einfacher Kontaktlithographie in hochwertiger Qualität herstellbar. Dagegen sind die lithographischen Anforderungen, die an schnelle MESFETs und HFETs gestellt werden müssen, wesentlich höher. Die unipolaren Bauelemente sind durch ihre lateralen Abmessungen, insbesondere die Gatelänge bestimmt, die mittlerweile routinemäßig bei 250 nm liegt und in absehbarer Zeit auch kommerziell die 100 nm Marke unterschreiten wird.

Die Steilheit gm ist beim HBT generell höher als bei den unipolaren Bauelementen und meist auch bei niedrigen Strömen bereits sehr hoch. Sie zeigt eine exponentielle Abhängigkeit von der Basis-Emitterspannung Vbe, während bei MESFET und HFET nur lineare oder quadratische Abhängigkeiten zu beobachten sind.

• Die Durchbruchspannung kann beim HBT über die Dicke der Kollektordiode fast nach Belieben eingestellt werden. Beim Leistungs-HFET wird versucht dies durch Vergrößerung des Abstandes zwischen Gate und Drain zu steuern. Mit dieser Maßnahme werden jedoch meist die Hochfrequenzeigenschaften verschlechtert.
• In HBTs sind aufgrund der vertikalen Struktur erheblich höhere Stromdichten zu erzielen, da bei geeigneter Geometrie die gesamte Emitterfläche zum Gesamtstrom beiträgt. Beim HFET sind die Gesamtstromdichten durch den dünnen lateralen Kanal bestimmt. Im Zusammenhang mit den hohen erreichbaren Durchbruchspannungen ergeben sich zudem auch sehr hohe Leistungsdichten im HBT, die einem HFET nicht zuzumuten sind.

Insgesamt überwiegen die Vorteile des HFET die der MESFETs, aber auch die der HBTs. Selbst im Vergleich zu den weit verbreiteten Si-Bipolartransistoren schneidet der HFET bei fortschreitender technologischer Entwicklung immer besser ab. Die Vorteile der Si-Bipolartransistoren sind derzeit noch:

• Si ist als Substratmaterial wesentlich billiger als GaAs.
• Si benötigt keine teuren epitaktischen Verfahren.
• Si-Prozesse sind ausgereift.

Die Vorteile der GaAs-Bauelemente werden umso entscheidender, je höher die Frequenzen werden. Zwar sind auch bei den Si-Bipolartransistoren Grenzfrequenzen bis 60 GHz erreicht worden, aber die geringere Spannungsfestigkeit des Si bei höheren Frequenzen führt dazu, daß Si-Bipolartransistoren trotz der dreifachen thermischen Leitfähigkeit gegenüber GaAs für Leistungsanwendungen lediglich bis zu einigen GHz in Frage kommen. Die bisher höchsten, mit DH-HFETs erreichten Grenzfrequenzen liegen bei ft = 150 GHz und fmax = 350 GHz [9]. Die wichtigsten Vorteile der GaAs-Bauelemente gegenüber den Si-Transistoren sind:

• Die Elektronenbeweglichkeit ist in GaAs sechsfach höher als in Si. Im InyGa1-yAs-Kanal eines DH-HFETs können noch weit höhere Beweglichkeiten erzielt werden.
• Aufgrund des größeren Bandabstandes von GaAs und AlxGa1-xAs, sowie der höheren kritischen Feldstärke für den Lawinendurchbruch, können bei gleicher Schichtdicke höhere Durchbruchspannungen erzielt werden. Auch ist die intrinsische Ladungsträgerkonzentration niedriger als in Si, so daß auch der zweite oder thermische Durchbruch erst bei sehr viel höheren Temperaturen stattfindet.
• Maßnahmen zur elektrischen Isolation der einzelnen Transistoren werden beim semi-isolierenden GaAs als Substrat überflüssig.
• Si ist aufgrund seiner intrinsischen Leitfähigkeit nur bedingt als Substrat für MMICs geeignet. Si-Transistoren werden fast ausschließlich in Hybridschaltungen verwendet.
• GaAs-Schaltungen sind aufgrund ihrer geringen Strahlungsempfindlichkeit prädestiniert für Satellitenanwendungen.
• GaAs ist ein direkter Halbleiter. Damit können elektrische und optische Anwendungen auf einem Chip integriert werden.

Diese Aufzählung zeigt, daß GaAs-Bauelemente in Zukunft weitere Marktanteile besetzen werden, wenn nicht andere Materialien, die zur Zeit Gegenstand intensiver Untersuchungen sind, zusätzliche Vorteile bieten. Neue Materialien sind z.B. InP- und InAlAs- Verbindungen, sowie Verbindungen aus der IV. Hauptgruppe des Periodensystems, wie z.B. SiGe.