Numerische Simulation von Halbleiterbauelementen und Schaltkreisen für THz-Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Christoph Jungemann
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 322069477

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung einer Simulationsumgebung für Schaltkreise mit Halbleiterbauelementen für den Empfang und die Erzeugung von THz-Wellen und die Untersuchung von entsprechenden neuen Bauelement- und Schaltungskonzepten.Die Halbleitergleichungen (Drift-Diffusionsmodell), die in kommerziellen TCAD-Programmen verwendet werden, sollen mit einem Beschleunigungstermso erweitert werden, dass sie für die Simulation von Plasmawellen in 2D- und 3D-Bauelementen im THz-Bereich geeignet sind. Weiterhin werden wir über die Drift-Diffusionsnäherung hinausgehen (Energietransport, hydrodynamisches Modell), da diese Näherung im Fall von hohen Beweglichkeiten und kleinen Bauelementen versagt. Die dafür notwendigen Transport- und Rauschparameter werden mittels mikroskopischer Simulation mit der Boltzmann-Transportgleichung erzeugt, mit der auch die Genauigkeit der einfacheren Transportmodelle unter homogenen Bedingungen und in Bauelementen untersucht werden soll.Durch die Änderungen in den Halbleitergleichungen wird deren numerische Stabilität verschlechtert, was neue Ansätze erfordert, die über die Scharfetter-Gummel-Stabilisierung hinausgehen, damit unphysikalische Phänomene wie negative Teilchendichten nicht auftreten können.Die Detektion und Erzeugung von THz-Wellen beruht auf nichtlinearen Effekten und muss durch einen Großsignalansatz beschrieben werden,wobei das sich ergebende diskrete Gleichungssystem in einer sehr kompakten Form erzeugt werden muss, da für die Optimierung von THz-Schaltungen und Bauelementen eine große Anzahl von Simulationen notwendig ist. Diese Großsignalanalyse soll mit einem effizienten Spline-Wavelet-Verfahren mit einer Multiratentechnik durchgeführt werden. Es werden Methoden zur Schätzung der Oszillationsfrequenz entwickelt, die die sehr großen Gleichungssysteme effizient verarbeiten können, und für die Berechnung des elektronischen Rauschens werden elementare Methoden implementiert.Mit der neuentwickelten Simulationsumgebung werden wir wichtige Kennzahlen der THz-Detektoren und -Generatoren untersuchen. Zum Beispiel soll untersucht werden, wie man mit Standard-Silizium-MOSFETs (Bulk oder FDSOI) in THz-Detektoren bei Berücksichtigung aller parasitären Effekte die maximale Empfindlichkeit erreicht. Weiterhin soll die Eignung von verschiedenen Bauelementkonzepten zur Erzeugung von Thz-Wellen durch Plasmainstabilitäten unter realistischen Bedingungen (Raumtemperatur, reale Beschaltung usw.) untersucht werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr.-Ing. Hans Georg Brachtendorf