Experimentelle Charakterisierung und Modellierung von modernsten Silicon-Germanium HBT Technologien im Bereich von 4 K bis 423 K

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schröter
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 377861290

Neueste Entwicklungen haben zu Silizium-Germanium-Kohlenstoff (SiGeC) Heterojunction-Bipolartransistoren (HBTs) geführt, die Grenzfrequenzen von über 500 GHz bei 1.6 V Durchbruchspannung (BVCEO) aufweisen. BiCMOS Technologien, die aus der Kombination schneller HBTs mit kostengünstigem digitalen CMOS resultieren, ermöglichen ein weites Feld kommerzieller Anwendungen im mm- und sub-mm-Wellenbereich wie z.B. breitbandige Kommunikation, Objekterfassung und Sensorik. SiGeC HBTs haben außerdem bereits vermehrt ihren Weg in Anwendungen mit extremen Betriebsbedingungen bzgl. Temperatur und elektrischem Arbeitsbereich gefunden. Viele Forschungsfelder wie Raumfahrt, Materialwissenschaften und Technologieentwicklung profitieren zudem vom Betrieb elektronischer Schaltungen bei tiefen Temperaturen. So wurden u.a. gezeigt, daß SiGeC HBTs bei 4 K deutlich verbesserte elektrische Eigenschaften besitzen, die für zukünftige Anwendungen wie z.B. Quantencomputer attraktiv sind, bei denen hohe Geschwindigkeit gegen geringeres Rauschen und höhere Energieeffizienz eingetauscht werden kann. Leider existieren z. Zt. keine Modelle für den Hochfrequenz(HF)-Schaltungsentwurf bei cryogenischen Temperaturen. In der ersten Phase dieses Projektes konnte die Eignung des existierenden HBT Kompaktmodells für den Temperaturbereich von ca. 150-423 K gezeigt werden, während erste Messungen bei niedrigen Temperaturen im Bereich von 4-150 K deutliche Mängel des Modells sichtbar machten. Die Ziele dieses Projektes adressieren daher sowohl diese Mängel als auch die steigende Nachfrage nach genauen Modellen für zukünftige Anwendungen: (1) Theorie-Entwicklung und Implementierung eines physikbasierten geometrie-skalierbaren nichtlinearen Kompaktmodells für SiGeC HBTs mit hoher Geschwindigkeit einerseits und hohen Durchbruchspannungen andererseits, das die Eigenschaften im Bereich 4-150K genau erfaßt mit speziellem Fokus auf den Sättigungsbereich für Anwendungen bei extrem geringer Verlustleistung. (2) Design und Fertigung von Testchips mit sowohl HBTs und passiven (mm-Wellen-Design relevanten) Bauelementen für die Bestimmung von Modellparametern als auch ausgewählten Schaltungen für cryogenische Anwendungen und Modelverifikation. (3) Experimentelle Charakterisierung der statischen und HF-Eigenschaften von SiGeC HBTs, die mit fortschrittlichen Technologien gefertigt wurden, als Funktion des Arbeitspunktes, der Frequenz und der Geometrie im Temperaturbereich von 4-150 K für die Parameterbestimmung und Modelverifikation. Die Ergebnisse dieses Projekts ermöglichen den Entwurf von mm- und sub-mm-Wellen Schaltungen und Systemen für zukünftige Anwendungen im Nieder- und vor allem cryogenischen Temperaturbereich. Das entwickelte Modell wird später u.a. von IHP Kunden, wie z.B. Google und MIT, für den Entwuf von Schaltungen für Quantencomputer verwendet.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen