Integrierte Schaltungen aus Galliumarsenid (GaAs) werden heute in weiten Bereichen der Mikroelektronik eingesetzt [44]. Das traditionelle Einsatzgebiet von Bauteilen aus GaAs liegt im Bereich der Höchstfrequenztechnik. Dort werden neben Einzelbauelementen immer mehr integrierte Mikrowellenschaltungen (MMICs) in der Satellitenkommunikationstechnik und im militärischen Bereich (Radartechnik) eingesetzt. Auch die Verstärker der modernen digitalen Glasfasernetze sind ohne den Einsatz von GaAs Bauelementen, die sich durch besonders hohe Schaltgeschwindigkeit und geringe Rauschzahl auszeichnen, nicht realisierbar. Selbst im Bereich der Unterhaltungselektronik werden heute GaAs MESFETs, zum Beispiel in rauscharmen Verstärkern für private TV-Satellitenempfangsanlagen, verwendet.
Neuesten Marktanalysen zufolge erwarten die Hersteller von integrierten Schaltkreisen aus GaAs bis 1994 eine Verfünffachung des Marktvolumens für ihre Produkte (Abb. 1.1 [54]). Zu diesem Zeitpunkt soll das Gesamtvolumen für den Verkauf von kommerziellen GaAs IC's erstmals die Grenze von einer Milliarde US Dollar überschreiten.
Dabei wird sich neben den traditionellen Anwendungen für GaAs ICs besonders der Markt für digitale Anwendungen vergrößern. Neben dem Einsatz von digitalen GaAs Schaltungen in herkömmlichen Supercomputern wie der CRAY-3 sind bereits komplette Mikroprozessoren auf einem Chip in Entwicklung. Ein solches Projekt der Universität von Michigan in Zusammenarbeit mit Vitesse Semiconductor Corporation umfaßt den Aufbau eines Mikrosupercomputers auf GaAs Basis, der mit einer Taktfrequenz von 250 MHz arbeiten soll [57]. Die benötigten schnellen statischen Speicher (SRAMs) können ebenfalls aus GaAs hergestellt werden. SRAMs mit einer Speicherkapazität von 32KBit und einer mittleren Zugriffszeit von 3ns lassen sich dabei bereits mit der heutigen Technologie herstellen. Für den Aufbau der Logikschaltungen wird die sogenannte GaAs MESFET E/D DCFL (`Gallium Arsenide MESFET enhancement/depletion direct-coupled FET logic' [80]) verwendet, die sich durch Einfachheit und die geringe Anzahl der benötigten Bauelemente auszeichnet.
Abbildung: Marktprognose für kommerzielle GaAs IC's [54]
Bei der Entwicklung von Schaltungen dieser Komplexität ist der Einsatz von Simulationsprogrammen vom Entwurf der Schaltung selbst bis hin zum Entwurf des Herstellungsprozesses der grundlegenden Bauelemente unabdingbar. Der physikalischen Simulation des elektrischen Verhaltens des einzelnen Bauelements in einer integrierten Schaltung kommt dabei entscheidende Bedeutung zu. Durch die mögliche Berücksichtigung von physikalischen Effekten in der Simulation des elektrischen Verhaltens, die durch die Geometrie und die spezifischen Prozeßbedingungen verursacht werden, können beim Entwurf dieser grundlegenden Bauelemente die Entwicklungszeit und die Kosten für die Herstellung von Prototypen drastisch reduziert werden.
In der vorliegenden Arbeit werden die für die Simulation von modernen GaAs MESFETs benötigten physikalischen Modelle erläutert und erweitert. Dabei wird auf die Modellierung komplizierter realer Strukturen besonderer Wert gelegt. Diese Modelle wurden im bestehenden Simulationsprogramm MINIMOS implementiert. Anschließend werden die Funktion und die Anwendungsmöglichkeiten des Programms für die Simulation von realen Bauelementen gezeigt und die Ergebnisse mit experimentellen Daten verglichen.