Kompaktmodellierung und Bauelementesimulation von Terahertz InGaAs/InP Heterojunction-Bipolartransistoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schröter
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438512651

Heterojunction-Bipolartransistoren (HBTs) ermöglichen höchste Leistungsdichten und, aufgrund ihrer sehr hohen Steilheit, höchste Arbeitsgeschwindigkeit in integrierten Schaltungen. Für Indium-Phosphid (InP) basierte HBTs mit einer InGaAs-Basis konnte mittlerweile eine Grenzfrequenz von über 1 Terahertz (THz) für die Leistungsverstärkung demonstriert werden. Eine solche Performanz addressiert das wachsende Interesse in (sub-)mm-Wellen-Anwendungen wie Radar, Bilderfassung und der Detektion von Chemikalien für z.B. Transport, Gesundheitsüberwachung und Sicherheit. Die Nutzung einer solchen Hochgeschwindigkeitstechnologie für den Entwurf von Schaltungen und Systemen erfordert allerdings kompakte Transistormodelle, die gemessene Transistorkennlinien so genau wie möglich über einen weiten Arbeitspunkt-, Frequenz-, Temperatur- und Geometriebereich reproduzieren. Wie im Antrag bereíts fuer die vorherige Technologiegeneration gezeigt wird, sind üblicherweise verwendete Modelle nicht nur ungenau sondern bieten auch eine nur sehr begrenzte Auswahl an Transistorabmessungen an. Dies beschränkt die Optimierung von Schaltungen hinsichtlich.z.B. Geschwindigkeit oder Energieeffizienz und verhindert die Ausnutzung der tatsächlichen Leistungsfähigkeit einer Halbleitertechnologie. Hinzu kommt, daß für InP HBTs keine rechentechnisch effiziente numerische Bauelementesimulation existiert und damit der Gewinn wertvoller Erkenntnisse bzgl. der Arbeitsweise der Transistoren verhindert wird. Zusätzlich ist die experimentelle Verifikation von Modellen für den Großsignalbetrieb mit kommerziell verfüg- und bezahlbaren Geräten auf Frequenzen weit unter 100 GHz begrenzt.Das beantragte Projekt adressiert alle oben erwähnten Punkte und hat folgende Hauptziele: (i) Untersuchung des elektrischen Verhaltens und der physikalischen Effekte in den zur Zeit schnellsten existierenden InP HBTs. (ii) Entwicklung eines geometrieskalierbaren physikalischen Kompaktmodells und Verifikation des Kleinsignalbetriebs bis 325 GHz. (iii) Entwicklung numerischer Bauelementesimulation auf Drift-Diffusionsbasis mit zwei Leitungsbändern. (iv) Anwendung eine neuen Ansatzes zur Messung des Transistorgroßsignalverhaltens und der Modellverifikation bei mehreren 100 GHz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen