Deterministische Simulation des Elektron- und Phonontransports in III-V Bauelementen
Mikrosysteme
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Elektronenbeweglichkeit und Sättigungsgeschwindigkeit sind in III–V Materialien deutlich höher als in Silizium, weshalb sogenannte III–V Heterojunction-Bipolartransistoren (HBT) bereits heute höhere Transitfrequenzen als ihre Silizium-Pendants erreichen. Der quasi-ballistische Transport in III–V HBTs führt allerdings dazu, dass die klassischen TCAD-(Technology Computer-Aided Design)-Werkzeuge (Drift-Diffusions-(DD)-Modell) deutlich ungenauer sind, was den computergestützten Entwurf von III–V Bauelementen erschwert. Die Entwicklung genauerer TCAD-Werkzeuge erfordert daher einen fundamentaleren Ansatz als das DD-Modell. Im semiklassischen Rahmen ist dies die Boltzmann-Transportgleichung (BE), von der die TCAD-Modelle unter gewissen Näherungen abgeleitet werden können. In diesem Projekt wurde ein deterministischer Löser für die BE entwickelt, dessen Stabilität nicht von der Stärke oder der Art der Streuung abhängt. Die BE wurde dabei direkt im k-Raum diskretisiert und die Godunov-Methode auf den freien Strömungsoperator angewendet, nachdem die Kraftterme auf die Grenzflächen zwischen den Zellen des Ortsgitters verschoben wurden. Die entsprechenden Algorithmen wurden für den stationären, Kleinsignal-, und transienten Fall implementiert. Für die Simulation eines modernen InP/InGaAs Double-Heterojunction-Bipolartransistors (DHBT) wurden die verwendeten III–V Materialien auf der Grundlage von Modellparametern aus der Literatur und durch Abgleich mit in der Literatur verfügbaren experimentellen Daten modelliert. Mit den resultierenden Modellen generiert der BE-Simulator fehlende Transportparameter für die TCAD-Modelle (Majoritäts- und Minoritätsbeweglichkeiten für Elektronen als Funktion der Dotierungskonzentration, des elektrischen Feldes, der Materialkomposition, usw.). Die TCAD-Modelle enthielten dabei weitere Bauelement-spezifische Parameter, die mit Hilfe der BE für den HBT ermittelt wurden. Die verbliebenden unbekannten Parameter (z. B. die Bänderangleichung an Heteroübergängen) wurden an Messungen angepasst und in einem iterativen Prozess wurde ein vollständiges Modell des Bauelements abgeleitet, das eine gute Übereinstimmung mit den experimentellen Charakteristika des DHBTs aufweist. Schließlich wurden die BE-Ergebnisse für den DHBT verwendet, um die Genauigkeit einer neu entwickelten Anpassung des DD-Modells, genannt augmented Drift-Diffusionsmodell, zu verfizieren.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A Godunov-Type Stabilization Scheme for Large-Signal Simulations of a THz Nanowire Transistor Based on the Boltzmann Equation. IEEE Transactions on Electron Devices, 68(11), 5407-5413.
Noei, Maziar; Linn, Tobias; Luckner, Paul & Jungemann, Christoph
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“A Godunov-type stabilization scheme for solving the stationary and transient Boltzmann transport equation,” Proc. IWCE International Workshop on Computational Nanotechnology, pp. 95-96, 2021
Luckner, P.; Leenders, H.; Linn, T.; Noei, M. & Jungemann, C.
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Physical Modeling of InP/InGaAs DHBTs With Augmented Drift-Diffusion and Boltzmann Transport Equation Solvers—Part I: Simulation Tools and Application to Sample Structures. IEEE Transactions on Electron Devices, 70(10), 5065-5072.
Leenders, Hendrik; Müller, Markus; Jungemann, Christoph & Schröter, Michael
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Physical Modeling of InP/InGaAs DHBTs With Augmented Drift-Diffusion and Boltzmann Transport Equation Solvers—Part II: Application and Results. IEEE Transactions on Electron Devices, 70(10), 5073-5080.
Müller, Markus; Leenders, Hendrik; Jungemann, Christoph & Schröter, Michael
