4.4 Kennlinie eines `ungated' MESFET

Um die in der Simulation verwendeten physikalischen Modelle zu überprüfen, und den Einfluß verschiedener Parameter und physikalischer Effekte auf das Verhalten des Bauelements zu demonstrieren, ist der `ungated' MESFET besonders geeignet. Dabei wird die Strom-Spannungskennlinie des MESFET vor dem Aufbringen eines Gatekontaktes gemessen. Im wesentlichen stellt ein `ungated' MESFET eine Widerstandsstrecke dar, die alle geometrischen Merkmale des MESFET aufweist, und anhand der sich die elektrischen Eigenschaften der aktiven Schicht in Verbindung mit dem Substrat gut charakterisieren lassen. Für die Simulation bietet diese Struktur die Möglichkeit, die Modelle für die Beweglichkeit, den Einfluß der Oberfläche und des Substrates zu überprüfen. Aus den Forschungslaboratorien von SIEMENS in München standen Meßwerte für einen `ungated' MESFET auf einem epitaktisch hergestellten Substrat zur Verfügung. Abb. 4.13 zeigt den Aufbau und die Geometrie des Bauelements.

  
Abbildung 4.13: Aufbau und Geometrie des `ungated' MESFET

Das Bauelement ist aus drei Epi-Schichten auf einem semi-isolierenden Substrat aufgebaut. An der Oberfläche befindet sich eine dicke, hochdotierte n-Schicht, die für eine gute ohmsche Kontaktierung von Source und Drain sorgen soll. Die Dotierungskonzentration beträgt . Darunter befindet sich die aktive Schicht mit einer Dicke von und einer Dotierungskonzentration von . Zur Verbesserung der Qualität der aktiven Schicht ist diese auf einen sogenannten `buffer layer', der ebenfalls epitaktisch hergestellt wird, aufgewachsen. Der `buffer layer' bewirkt die Relaxation der an der Oberfläche des semi-isolierenden Substrats vorhandenen Gitterdefekte (vgl. Kap. 2.2.3). Das Bauelement besitzt einen `recess', d.h. zwischen Source und Drain wurde eine Vertiefung geätzt, in der später der Gatekontakt aufgebracht wird. Mit der Tiefe des `recesses' kann der Sättigungsstrom des Bauelements bei offenem Kanal sehr genau eingestellt werden. Die Dicke der aktiven Schicht im Kanalbereich beträgt hier , die Länge des `recess' beträgt . Als Passivierung der Oberfläche zwischen den Kontakten wurde Siliziumnitrid mit einer relativen Dieelektizitätskonstante von angenommen.

MESFETs auf epitaktischen Substraten haben den Vorteil, daß aufgrund des Aufbaus, die Dotierungsprofile der überanderliegenden Schichten schärfer begrenzt und im allgemeinen besser bekannt sind. Das erleichtert den Vergleich von Messung und Simulation, da die genaue Kenntnis des Dotierungsprofils dabei ein entscheidender Faktor ist. Allerdings ist der Sättigungsstrom des zur Verfügung stehenden MESFET mit ca. bei Gateweite relativ hoch, und der Einfluß der Kontakt- und der Meßwiderstände auf die Strom-Spannungskennlinie kann nicht mehr vernachlässigt werden. Außerdem ist an der Kennlinie die durch die hohe Verlustleistung auftretende Erwärmung des Bauelements zu erkennen. Bei zunehmender Drainspannung sinkt der Strom aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Beweglichkeit wieder. Der Einfluß der Serienwiderstände kann in der Simulation berücksichtigt werden, der Wert dieser Widerstände ist allerdings nicht ganz genau bekannt. Die Summe aller Serienwiderstände wurde mit angegeben. Der Einfluß der Erwärmung des Bauelements während der Messung kann allerdings nicht berücksichtigt werden.

Abb. 4.14 zeigt die Strom-Spannungskennlinie des Bauelements. Sie wurde an vier verschiedenen Stellen auf dem Wafer gemessen. Mit Ausnahme eines Ausreißers streuen die Messungen um etwa 5%.

  
Abbildung 4.14: Gemessene Ausgangskennlinien des `ungated' MESFET

Um eine Übereinstimmung der Simulation mit den Meßergebnissen zu erhalten, wird zuerst der Einfluß folgender physikalischer Effekte und Parameter auf die Ausgangskennlinie untersucht:

• Die Halbleiter-Isolatorgrenzfläche enthält eine große Zahl von Oberflächenzuständen, die als Elektronenfallen wirken. Dadurch entsteht an der Oberfläche eine Depletionszone, durch die der für den Stromtransport zur Verfügung stehende Kanalquerschnitt verringert wird. Durch die Oberflächenzustände wird das Ferminiveau an der Oberfläche ungefähr in der Mitte des verbotenen Bandes sozusagen festgehalten [56]. Das Potential liegt deshalb an der Oberfläche um ungefähr tiefer als im darunterliegenden Halbleiter. Der Einfluß der Oberflächenzustände kann in der Simulation durch die Einführung von festen Oberflächenladungen an der Grenzfläche berücksichtigt werden. Die Konzentration der Oberflächenladungen, die benötigt wird, um eine Reduktion des Oberflächenpotentials um etwa zu erzielen, ist natürlich dotierungsabhängig. Da aber die Dotierung an der Oberfläche in den meisten Fällen konstant ist, kann dieser Wert einmal ermittelt und dann an der gesamten Oberfläche verwendet werden. Bei stark inhomogener Dotierung oder bei transienten Simulationen müssen allerdings die Besetzung und die Umladungsvorgänge der Oberflächenzustände zusätzlich berücksichtigt werden.

• Wie schon in Kap. 4.2 gezeigt, hat das Substrat eine großen Einfluß auf die Kennlinien von GaAs MESFETs. Deshalb wurde der Einfluß eines n-dotierten und eines p-dotierten Substrates mit und ohne EL2 Störstellen untersucht.

• Für die Technologie ist es sehr wichtig zu wissen, wie sich eine Änderung in den geometrischen Abmessungen auf die Kennlinie auswirkt. Besonders die Auswirkungen einer Änderung der `recess'-Länge sind dabei von Interesse.

• Schließlich ist der Einfluß der Serienwiderstände auf die gemessenen Kennlinien bei diesem Bauelement nicht mehr vernachlässigbar.

Als Beweglichkeitsmodell für die Elektronen wird hier das reduzierte Zweibandtransportmodell (vgl. 3.4.3) verwendet. Für die Dotierungsabhängigkeit der Beweglichkeit wurden die Parameter nach Hilsum [31] verwendet. Wenn nicht speziell darauf hingeweisen wird, ist das verwendete Substrat mit p-dotiert und eine Oberflächenzustandsdichte von wird berücksichtigt. Die `recess'-Länge beträgt , und die Serienwiderstände werden vernachlässigt. In die Simulation einbezogen wurde nur der `buffer layer', er wird im folgenden auch als Substrat bezeichnet.

  
Abbildung 4.15: Einfluß der Oberflächenzustandsdichte: und

Abb. 4.15 zeigt den starken Einfluß der Oberflächenzustände auf die Ausgangskennlinie. Für die Oberflächenzustandsdichte wurde ein Wert von angenommen. Abb. 4.16 zeigt die Wirkung auf die Potentialverteilung in einer Tiefe von bis . Die `recess'-Oberfläche befindet sich bei . Man erkennt, daß das Potential an der Oberfläche um niedriger liegt als im Kanal. Der wirksame Kanalquerschnitt wird um beinahe verringert.

  
Abbildung: Potentialverteilung im `ungated' MESFET mit Berücksichtigung der Oberflächenzustände

Die Depletionszone an der Oberfläche muß also in der Simulation unbedingt berücksichtigt werden. Speziell in Betriebsfällen mit offenem Kanal ist diese Depletionszone der limitierende Faktor für den Sättigungsstrom.

Abb. 4.17 zeigt den Einfluß verschiedener Substrate. Simuliert wurde das Bauelement mit einem n-Substrat mit , einem p-Substrat mit und einem EL2-Substrat mit und . Wie schon in Kap. 4.2 gezeigt wurde, wird durch das n-Substrat keine Potentialbarriere gegen das Eindringen der Elektronen aufgebaut. Die Stromleitung kann daher auch im Substrat erfolgen, der Sättigungsstrom liegt beinahe um die Hälfte höher. Im EL2-Substrat ist gegenüber dem p-Substrat die Potentialbarriere einerseits durch die geringere Akzeptorenkonzentration, andererseits durch die Kompensationseffekte der EL2 Störstellen geringer. Der Ausgangsstrom liegt daher auch etwas höher.

  
Abbildung: Einfluß des `buffer layer':
p-Substrat ,
n-Substrat ,
EL2-Substrat

Abb. 4.18 zeigt den Einfluß der `recess'-Länge auf die Ausgangskennlinie. Man kann erkennen, daß die Länge der durch die Oberflächenladungen erzeugten verarmten Zone einen starken Einfluß auf den Widerstand der gesamten Halbleiterstrecke hat. Mit abnehmender Länge der verarmten Zone im Kanalbereich wird der Leitwert im linearen Bereich größer, und der Sättigungsstrom steigt.

  
Abbildung 4.18: Einfluß der `recess'-Länge: , und

Abb. 4.19 zeigt den Einfluß des mit angegebenen Serienwiderstandes. Man erkennt hier die Auswirkung auf den Anstieg im linearen Bereich.

  
Abbildung 4.19: Einfluß der Serienwiderstände: und

Abb. 4.20 zeigt schließlich den Vergleich mit der Messung. Bei der Simulation wurden hier auch die Serienwiderstände berücksichtigt. Sowohl die Simulation mit dem reinen p-Substrat als auch die Simulation mit einem realistischeren EL2-Substrat zeigt sehr gute Übereinstimmung mit den gemessenen Daten, sieht man vom Einfluß der Erwärmung auf die gemessene Kennlinie ab.

  
Abbildung 4.20: Vergleich Messung-Simulation mit zwei verschiedenen Substraten:
p-Substrat
EL2-Substrat

Diese Simulationen zeigen, daß sich nur durch eine Einbeziehung aller oben beschriebenen physikalischen Effekte eine gute Übereinstimmung mit dem realen Bauelement erzielen läßt. Darüberhinaus kann man davon ausgehen, daß die Annahme einer Akzeptorkonzentration von nicht ganz unrealistisch ist. Die Änderungen, die sich durch Berücksichtigung verschiedener EL2 Konzentrationen ergeben, liegen im Bereich der Streuung der Meßwerte über den Wafer, und lassen daher keine Rückschlüsse auf die tatsächliche EL2 Konzentration zu.