7.3.2 HFET mit Doppelbarrierenstruktur (HFET-2)

Der Aufbau des deltadotierten HFET-2 ist wie folgt [] (von oben nach unten, s. Abb. 7.5 u. 7.14):

  
Abbildung 7.14: Schliffbild eines Querschnitts des deltadotierten pseudomorphen HFETs mit Doppelbarrierenstruktur.

eine dicke undotierte Barrierenschicht, ein dicker undotierter Kanal und eine dicke untere Barrierenschicht gefolgt von einem semiisolierenden GaAs Substrat. Der Gate-Kanalabstand ist und die Gate-Länge ist mit symmetrischen Abständen von jeweils zu den Cap-Schichten (Recess).

    
Obere Abbildung 7.15: Transfercharakteristik des HFET-2 für .
Untere Abbildung 7.16: Steilheit des HFET-2 für .

oberhalb des Kanals in der oberen Barrierenschicht befindet sich eine Deltadotierung mit einer aktiven Dotierstoffkonzentration von (nachdem die Dotierung im Bereich von 1-2 Atomlagen erfolgt, wird sie als Flächenkonzentration angegeben). In der unteren Barrierenschicht befindet sich im Abstand von zum Kanal eine dicke Schicht, die eine Rückseitendotierung mit einer aktiven Dotierstoffkonzentration von enthält. Die Weite des Transistors ist . Die Messung erfolgte am Wafer an einem Transistor mit horizontalen Abmessungen von .

Für die Simulation des HFET-2 wurde das HD/DD-Modell mit dem TFE-Grenzflächenmodell verwendet, um den RST zu berücksichtigen und den Rechenaufwand möglichst gering zu halten. Die Simulation eines Arbeitspunktes benötigte etwa 500 Iterationsschritte, Arbeitsspeicher und CPU-Zeit mit einem HP9000/735 Computer (Taktfrequenz: ).

Abbildung 7.15 zeigt die Transfercharakteristik des HFET-2. Die HD/DD-Simulation zeigt eine gute Übereinstimmung mit den Meßdaten. Zum Vergleich wurde eine DD-Simulation durchgeführt, die jedoch eine zu geringe Steilheit und keine Sättigung für Gate-Spannungen unter zeigte. Die fehlende Sättigung ist auf das Fehlen des RST zurückzuführen. Die größere Steilheit der HD/DD-Simulation gegenüber der DD-Simulation ist durch den Velocity overshoot bedingt.

Die Transfercharakteristik kann in drei unterschiedliche Intervalle gegliedert werden, für die jeweils ein dominanter physikalischer Effekt identifizierbar ist.

• Für Gate-Spannungen im Bereich der Schwellspannung ( ) erfolgt der Stromtransport im unteren Teil des Kanals und in der unteren Barrierenschicht. Abbildung 7.17 zeigt die Elektronenkonzentration für und . Am drain-seitigen Ende des Gate-Kontakts ist ein Anstieg der Elektronenkonzentration in der unteren Barrierenschicht zu erkennen.
• Für Gate-Spannungen zwischen bis ist die Steilheit des Transistors am größten (s. Abb. 7.16). Der Anstieg des Drain-Stroms erfolgt nahezu linear mit dem Ansteigen der Gate-Spannung.
• Für Gate-Spannungen über tritt Sättigungsverhalten auf, da die Temperatur der Elektronen im Kanal ansteigt. Es kommt zum RST der Elektronen in die obere Barrierenschicht. Abbildung 7.18 zeigt die Elektronenkonzentration für und . Am drain-seitigen Ende des Gate-Kontakts ist die Elektronenkonzentration im Kanal und in der unteren und oberen Barrierenschicht gleich. Die entsprechende Temperaturverteilung der Elektronen ist in Abbildung 7.19 dargestellt. Die Temperatur von etwa erlaubt den Elektronen einen ungehinderten Transfer zwischen dem Kanal und den Barrierenschichten.

    
Obere Abbildung 7.17: Elektronenkonzentration des HFET-2 für und .
Untere Abbildung 7.18: Elektronenkonzentration des HFET-2 für und .

  
Abbildung 7.19: Temperaturverteilung der Elektronen des HFET-2 im Kanal für und .

Abbildung 7.20 zeigt das simulierte Ausgangskennlinienfeld des HFET-2 im Vergleich mit den Meßdaten. Es mußte das Tunneln der Elektronen durch Verwendung des TFE-Grenzflächenmodells berücksichtigt werden, da das TE-Grenzflächenmodell gemeinsam mit dem HD/DD-Modell zwar die thermionische Emission der Elektronen berücksichtigt, jedoch für Drain-Source-Spannungen unter etwa die Temperatur der Elektronen nicht ausreicht, um die Energiebarriere zwischen dem Kanal und der oberen Barrierenschicht unter dem Drain-Kontakt zu überwinden. Der Tunneleffekt dominiert jedoch für kleine Drain-Source-Spannungen den Stromtransport. Da er exponentiell vom Normalfeld an der Grenzfläche abhängt, sind die Simulationen im ohmschen Bereich ungenau. Außerdem ermöglicht das implementierte Modell für den Tunneleffekt für kleine Gate-Spannungen ein zu einfaches Ausweichen der Elektronen in die untere Barrierenschicht wodurch die Drain-Source-Strom zu hoch ist.

  
Abbildung 7.20: Ausgangskennlinienfeld des HFET-2.