Galliumarsenid MESFETs werden heute in weiten Bereichen der Mikroelektronik, die von Anwendungen in integrierten Mikrowellenschaltungen in der Satellitenkommunikationstechnik bis zum Einsatz in Digitalschaltungen von Supercomputern (CRAY-3) reichen, eingesetzt. Für den Aufbau von Mikrosupercomputern werden heute bereits komplette Mikroprozessoren auf Galliumarsenid-Basis entwickelt [57]. Die Entwicklung derart komplexer Schaltungen macht den Einsatz von Simulationsprogrammen vom Entwurf des Herstellungsprozesses bis zum Erstellen des Layout unbedingt erforderlich. Dabei kommt der physikalischen Simulation des elektrischen Verhaltens der einzelnen grundlegenden Bauelemente entscheidende Bedeutung zu. Sie ermöglicht durch Berücksichtigung physikalischer Effekte, die durch Änderungen der Geometrie oder des Herstellungsprozesses hervorgerufen werden, eine drastische Reduktion der Entwicklungszeit und der Kosten für Prototypen.
Ziel dieser Arbeit war es, ein bestehendes Simulationsprogramm - MINIMOS - zu modifizieren und zu erweitern, um es für die Simulation von Galliumarsenid MESFETs einsetzen zu können. MINIMOS war speziell für die zweidimensionale Simulation von planaren Silizium-MOSFETs entwickelt worden [75], und wurde später für die dreidimensionale Simulation auch nichtplanarer MOSFETs erweitert [86].
Neben einer Zusammenfassung der grundlegenden Wirkungsweise eines MESFET und der Beschreibung der verschiedenen Herstellungsprozesse moderner Galliumarsenid MESFETs, werden die für die Simulation dieser Bauelemente benötigten physikalischen Modelle erläutert und erweitert.
Dies umfaßt die Beschreibung des Ladungsträgertransports in Galliumarsenid, die Beschreibung des Schottkykontaktes, der die Steuerelektrode eines MESFET darstellt, und die Modellierung der tiefen Störstellen, die für das elektrische Verhalten von semi-isolierenden Galliumarsenidsubstraten besonders wichtig sind. Für die Beschreibung des Elektronentransports in Galliumarsenid wurde eine neue Formulierung nach [28] und [43], die auch die Berechnung einer mittleren Elektronenenergie ermöglicht, für den Einsatz in einem numerischen Simulator erweitert und implementiert. Die Randbedingungen für den Schottkykontakt werden nach [60] mit einer stromabhängigen Oberflächenrekombinationsgeschwindigkeit für Elektronen und Löcher formuliert. Darüberhinaus ist die Verwendung eines Idealitätsfaktors, der die Qualität des Schottkykontaktes rein phänomenologisch beschreibt, möglich. Die Modellierung tiefer Störstellen ermöglicht die Berücksichtigung der Änderung der Raumladung und der Rekombination über diese Energieniveaus in semi-isolierenden Substraten. Dabei können sowohl tiefe Donatoren (EL2 Defekt in Galliumarsenid) als auch tiefe Akzeptoren (Chromdotierung) in der Simulation berücksichtigt werden.
Alle Modelle wurden in MINIMOS implementiert. Dabei wurde speziell auf die Simulation komplizierter realer Strukturen Wert gelegt. Die Anwendbarkeit des Programms wird zuletzt durch den Vergleich mit Messungen und anhand der Untersuchung typischer Probleme, die bei der Entwicklung von Galliumarsenid MESFETs auftreten, gezeigt. Neben der Untersuchung des Einflusses des Substrates auf die Kennfelder eines MESFETwird die Anwendbarkeit des Programms für die Untersuchung des Durchbruchverhaltens von Galliumarsenid MESFETs gezeigt [4][5]. Der Vergleich mit realen Bauelementen wurde durch die Bereitstellung von Meßdaten eines `ungated' MESFET und ionenimplantierter MESFETs, die in den Forschungslaboratorien von SIEMENS in München hergestellt worden waren, ermöglicht.