Kurzfassung

High Electron Mobility Transistors (HEMTs) gehören zu den schnellsten verfügbaren dreipoligen Bauelementen. Sie finden ihre Anwendung in der Kommunikationstechnik, der Fernabtastung und im Radar, wenn höchste Ausgangsleistungen, hohe Verstärkung und niedrige Rauschpegel erforderlich sind. In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Anwendung von Simulationssoftware, namentlich des Bauelementsimulators MINIMOS-NT, für Heterostruktur-Bauelemente beschrieben. In einem kontinuierlichen Wechselspiel mit industrieller Prozessentwicklung werden eine Reihe verschiedener HEMT Technologien aus verschiedenen Halbleiterproduktionen modelliert. Das Frequenzspektrum der Anwendung reicht vom Mobilfunk bei 900 MHz bis hin zu Höchstfrequenzanwendungen für rauscharme Verstärker bei 140 GHz. Das Ka-Frequenzband (26.5-40 GHz) findet dabei besondere Berücksichtigung im Rahmen dieser Arbeit. Bauelemente aus verschiedenen HEMT Technologien auf der Basis der Materialsysteme AlGaAs/ InGaAs/GaAs und InAlAs/InGaAs können in einem globalen Kalibrationskonzept präzise simuliert werden. Für HEMTs mit hoher Ausgangsleistung wird die Simulation von Stoßionisation und Selbsterwärmung durchgeführt und korreliert mit Ergebnissen der dreidimensionalen thermischen Chipsimulation. Diese Arbeit präsentiert ferner verschiedene Studien, z.B. für das Verständnis der Mechanismen in Bauelementen mit doppeltem Ätzgraben. Physikalisch basierte Kleinsignal S-Parameter werden in guter Übereinstimmung mit Messungen mittels  MINIMOS-NT extrahiert. Die Extraktion basiert auf einem konventionellen Schalenkonzept für die parasitären Elemente. Ein besonderes Augenmerk gilt hierbei dem quantitativen Verständnis der Arbeitspunktabhängigkeit der S-Parameter. Von einem statistischen Standpunkt aus werden Empfindlichkeitsanalysen für HEMTs in Millimeterwellen Anwendungen bei 77 GHz durchgeführt, da die Anwendung statistischer Konzepte in Simulation und Messung ein besseres Verständnis der betrachteten Technologien erlaubt. InAlAs/InGaAs HEMTs gewachsen auf metamorphem Puffer auf GaAs und auf InP Substraten werden simuliert, wobei eine gute Übereinstimmung mit Messungen erzielt wird. Hierzu wird eine rigorose Modellierung der Materialeigenschaften für dieses Materialsystem präsentiert, die Hochfeldeffekte einschließt. Es wurden keine Unterschiede für die Materialparameter der HEMTs auf den verschiedenen Substratmaterialien beobachtet. Ein Satz Materialdaten für AlGaN/GaN HEMTs ist in MINIMOS-NT implementiert worden und die Simulationen zeigen Übereinstimmung mit Daten eines Entwicklungsprozesses. Die untersuchten HEMT Technologien werden durch ein Ka-band Load-Pull System charakterisiert, das vom Autor erstellt wurde. Mit einem optimierten AlGaAs/InGaAs pseudomorphen HEMT auf coplanarer Technologie wird eine Leistungsdichte von 735 mW/mm bei 35 GHz und eine absolute Ausgangsleistung von 352 mW aus einem Transistor erreicht. Diese HEMTs erreichen bei einer Gatelänge von 200 nm bis zu 26 V Durchbruchsspannung. Eine Reihe von Simulationsstudien, die in erster Linie die Stabilisierung gegenüber Prozessvariationen zum Ziel haben, unterstreichen den Optimierungsprozess, um langzeitstabile und zuverlässige HEMTs zu erhalten.