Ziel dieser Arbeit war die Simulation der elektrischen
Eigenschaften von Heterostruktur-Feldeffekttransistoren (HFETs).
HFETs kommen vor allem wegen ihrer ausgezeichneten
Hochfrequenzeigenschaften in der Satellitenkommunikation, im Mobilfunk
und in der Verkehrstechnik zum Einsatz. Im Frequenzbereich bis
sind Transistoren mit Rauschzahlen unter 
Stand der Technik. Dem anhaltenden Trend zu immer höheren Frequenzen
zu entsprechend, ist eine weitere Miniaturisierung der Transistoren
notwendig. Gate-Längen von etwa 
sind üblich und
werden ständig weiter reduziert. Dadurch kommen physikalische
Effekte zum Tragen, die für die Eigenschaften von HFETs bislang
unerheblich waren.
HFETs werden mittels Epitaxieverfahren, wie Molekularstrahlepitaxie (Molecular Beam Epitaxy, MBE) oder metallorganischer Dampfabscheidung (Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE) gefertigt, die eine genaue Einstellung der Materialzusammensetzung, der Dotierstoffkonzentration und der Schichtdicke erlauben. Bei der Herstellung von HFETs wird durch Aufwachsen einzelner Schichten auf einem undotierten Substrat eine Kanal mit hoher Beweglichkeit der Ladungsträger gebildet.
Die Miniatursierung und der spezielle Aufbau aus geschichteten Halbleiterstrukturen mit nahezu abrupten Übergängen zwischen den Schichten stellen besondere Anforderungen an die Bauelementsimulation. Sowohl die unterschiedlichen Materialien der Schichten als auch die Schichtübergänge bedingen eine Vielzahl physikalischer Modelle, die zur Beschreibung des Verhaltens von HFETs notwendig sind. Der modulare Aufbau und die flexible Datenverarbeitung des Bauelementsimulators MINIMOS-NT wurden genutzt, um geeignete physikalischen Modelle für die Simulation von HFETs zu implementieren und miteinander zu vergleichen. Die Brauchbarkeit der Modelle konnte durch Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Messungen zweier HFETs überprüft werden.
Mittels klassischer Drift-Diffusionsnäherung und der Berücksichtigung des Tunneleffekts, um den Stromfluß über die Heterobarriere vom Kanal zum Drain zu modellieren, konnte ein homogen dotierter pseudomorpher HFET mit Einfachbarrierenstruktur simuliert werden (HFET-1). Für den deltadotierten HFET mit Doppelbarrierenstruktur (HFET-2) konnte jedoch mit dem hydrodynamischen Modell eine bessere Übereinstimmung der Simulationsergebnisse mit den Messungen erzielt werden. Durch die Ladungsträgererwärmung sind die Elektronen in der Lage, die den Kanal begrenzenden Heterobarrieren zu überwinden. Der Stromtransport erfolgt mit zunehmender Ladungsträgertemperatur parallel zum Kanal in den benachbarten Schichten. Um diesen Effekt (Real-Space Transfer, RST) zu simulieren, wurde das hydrodynamisches Modell verwendet. Da dieses Modell die zusätzliche Berechnung der Ladungsträgertemperaturen erfordert, steigt der Rechenaufwand gegenüber dem Drift-Diffusionsmodell deutlich. Es wurde deshalb das Drift-Diffusionsmodell mit dem hydrodynamischen Modell kombiniert, indem im Kanal das hydrodynamische Modell verwendet und in den anderen Schichten das Drift-Diffusionmodell beibehalten wurde. Die Datenverwaltung und -verarbeitung in MINIMOS-NT wurde entsprechend dieser Anforderung erweitert.
Die Verwendung des hydrodynamischen Modells im Kanal zeigte auch eine bessere Übereinstimmung der simulierten Transfercharakteristiken der Transistoren mit den Messungen. Die größere Steilheit der Simulationsergebnisse mit dem hydrodynamischen Modell entspricht besser den Messungen als die Simulationsergebnisse mit dem Drift-Diffusionsmodell. Das hydrodynamische Modell erlaubt Geschwindigkeiten der Elektronen, die über der Sättigungsgeschwindigkeit liegen (Velocity overshoot) was die größere Steilheit bedingt.
Eine modifizierte Behandlung der Grenzflächen zwischen dem Kanal und den benachbarten Schichten, erlaubt die Kombination des Drift-Diffusionsmodells mit dem hydrodynamischen Modell. Die Modellierung des Stromes über die Grenzflächen zwischen den Schichten hat sich als wesentlich für die Simulation erwiesen. Es wurde deshalb sowohl ein Modell für die thermionische Emission von Ladungsträgern als auch eine Modell für die thermionische Feldemission, welches das Tunneln der Ladungsträger berücksichtigt, implementiert. Das Tunneln der Elektronen durch die Heterobarriere wurde als Reduktion Barrierenhöhen berücksichtigt. Für die Berechnung der dafür notwendigen Normalkomponente des elektrischen Feldes wurde ein eigenes Modell entwickelt, da der Tunnelstrom exponentiell von der Normalkomponente abhängt und so zu starke Schwankungen des Stroms vermieden werden konnten.
Die Untersuchungen haben gezeigt, daß mit den implementierten Modellen für thermionische Emission und thermionsche Feldemission und mit der Kombination von Drift-Diffusion und Hydrodynamik, die mit MINIMOS-NT erhaltenen Simulationsergebnisse auch für HFETs mit komplexem Aufbau gut mit den Messungen übereinstimmen.
Als problematisch erweist sich jedoch, daß aufgrund der exponentiellen Abhängigkeit des Tunnelstroms von der Normalkomponente des elektrischen Feldes eine große Anzahl von Rechenschritten notwendig ist um hinreichend genaue Ergebnisse zu erhalten. Eine Verbesserung kann durch Berechnung des Faktors, der die Exponentialfunktion der Normalkomponente des Feldes enthält, statt des Feldes selbst erzielt werden, da zu große Schwankungen des Tunnelstromes dann mittels geeigneter Dämpfungsstrategien vermieden werden können. Eine weitere Möglichkeit besteht in der ortsabhängigen Modellierung der Bandkantenenergie in der oberen Barrierenschicht, sodaß am drain-seitigen Ende des Kanals die Heterobarriere reduziert wird und der Stromfluß zum Drain ohne Berücksichtigung Tunneleffekts gewährleistet wird. Die Kontaktierung des Transistors beeinflußt das unter dem Kontakt liegende Gebiet, sodaß die Heterostrukturen vertikal ,,verschmiert`` werden können. Diese Annahme wird auch durch Monte-Carlo Simulationen unterstützt.
Generell ist zur Analyse der einzelnen physikalischen Effekte ein stabiler Ablauf der Simulation von Heterostrukturen mit dem hydrodynamischen Modell notwendig, der nun bis auf Einzelfälle gewährleistet werden kann. Die Entwicklung von MINIMOS-NT hat einen Stand erreicht, der eine sinnvolle Verwendung der unterschiedlichen Modelle für Simulationen verschiedener Arten von HFETs möglich macht. MINIMOS-NT ist damit ein geeignetes Werkzeug für deren Analyse und Weiterentwicklung.