Modellierung des nichtlinearen dynamischen Großsignalverhaltens in SiGe Heterojunction-Bipolartransistoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schröter
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 317219111

Die Verfügbarkeit von Hochgeschwindigkeits-Heterobipolartransistoren (HBTs) in Silizium-Germanium (SiGe) Technologie hat zu einem starken Interesse an der Nutzung des Millimeterwellen- und THz-Frequenzspektrums für elektronische Anwendungen geführt. Der Entwurf und die Optimierung von integrierten Schaltungen bei so hohen Frequenzen erfordert genaue Kompaktmodelle für HBTs mit Grenzfrequenzen von mehreren hundert GHz. Leider existieren derzeit keine Messgeräte, die die experimentelle Verifikation des Großsignal(GS)-Verhaltens existierender Kompaktmodelle für Frequenzen oberhalb von 67 GHz erlauben. Numerische Simulation (sog. TCAD) weist allerdings auf deutliche Fehler bestehender Kompaktmodelle während schneller GS-Schaltvorgänge in bzw. aus dem Hochstrombereich hin, wo die Transkonduktanz ihren Höhepunkt erreicht. Diese Fehler entstehen vor allem durch den verteilten, d.h. den sog. nicht-quasi-statischem (NQS) Charakter der beweglichen Ladung in vertikaler und lateraler Richtung der Transistorstruktur, die in derzeitigen Kompaktmodellen nicht korrekt berücksichtigt wird. In der ersten Phase dieses Projekts wurde mit Hilfe von TCAD und Transistortheorie ein physikbasiertes Verständnis der in vertikaler und lateraler Richtung auftretenden NQS-Effekte erarbeitet. Eine geschlossene Lösung der eindimensionalen (1D) Transport- und Kontinuitätsgleichung konnte als Referenzformulierung für die Evaluierung des Einflusses von Vereinfachungen für eine analytische Ladungsmodellierung etabliert werden. Weitere TCAD basierte Untersuchungen des GS-Verhaltens von zweidimensionalen (2D) HBT-Strukturen ergeben vielversprechende Resultate bzgl. der Modellierung lateraler NQS-Effekte. GS-Messungen zeigen allerdings einen bislang ungeklärten starken Anstieg der dritten Harmonischen. Die vorgeschlagene zweite Projektphase adressiert die Lösung der beobachteten Probleme wie folgt: (i) Herleitung einer physikbasierten Gleichung für die vertikalen NQS-Effekte auf Basis der 1D Transistortheorie zur besseren Modellierung speziell des Hochstrombereichs. (ii) Erweiterung der 1D zu einer 2D Transistortheorie, die eine konsistente Definition der kompakten internen Basisbahnimpedanz ermöglicht und Herleitung einer physikbasierten stromabhängigen Formulierung des Faktors zur lateralen Ladungsaufteilung in einem konzentrierten Modell. (iii) Anwendung des neuen GS-Modells auf moderne SiGe HBT Strukturen und Verifikation mit Hilfe von "mixed-mode" TCAD und GS-Messungen. Letztere bestehen nicht nur aus Load-Pull-Messungen, sondern es wird auch ein neuartiger Ansatz basierend auf passiven Bandpassfiltern verwendet, der die Messung der Amplituden der harmonischen Komponenten bis zu 325 GHz erlaubt. Das vorgeschlagene Projekt mit seinen klar definierten Arbeitspakten umfasst außerdem den Entwurf und die Herstellung von Teststrukturen und deren experimentelle On-Wafer-Charakterisierung bis zu 325 GHz.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen