Untersuchung der Langzeit-Degradation des Hochfrequenzverhaltens von SiGe Heterojunction-Bipolartransistoren und Schaltungen

• 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 391631565

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, sowie Vorhersagen von Arbeitsfrequenzen bis in den THz Bereich hinein, resultieren in einem starken Anstieg des Interesses an kommerziellen Anwendungen im Millimeter(mm)-Wellen und THz Spektrum. Die hohe Leistungsfähigkeit der HBTs wird allerdings erkauft durch (i) sehr hohe Stromdichten, (ii) starke Selbsterwärmung und (iii) geringe Durchbruchspannungen. Die damit verbundenen Probleme können zu einer beschleunigten Degradation der elektrischen Eigenschaften führen, die bisher nur unter Verwendung des statischen Basisstromes durch eine statische Safe Operating Area (SOA) unzulänglich charakterisiert wird, während Information bzgl. des Verlustes der Hochfrequenz(HF)-Leistungsfähigkeit gänzlich fehlen. In der ersten Phase dieses Projektes wurde demonstriert, dass SiGe HBTs sehr robust sind und weit über die vom Hersteller angegebene SOA betrieben werden können, bevor eine messbare Degradation eintritt. Dies lässt das Erreichen wesentlich höherer Ausgangsleistung bei hohen Frequenzen vermuten als bisher angenommen wird. Mittels der untersuchten Transistorgeometrie wurde zudem experimentelle Evidenz für die Degradation verschiedener, für den HF-Betrieb relevanter Kenngrößen aufgrund von dynamischem Stress gefunden. Es ergeben sich somit folgende Ziele für die zweite Projektphase: (i) Systematische experimentelle Studie dynamischer Degradation in fortgeschrittenen SiGe HBTs in Abhängigkeit von Geometrie und Frequenz zur Findung der physikalischen Ursachen der beobachteten Degradation. (ii) Untersuchung der maximal erreichbaren HF-Ausgangsleistungsgrenze und der damit verbundenen Kompromisse beim Schaltungsentwurf hinsichtlich Degradation. (iii) Kompaktmodellierung der beobachteten Degradationseffekte und Entwicklung eines Ansatzes zur Abschätzung der Degradation und Zuverlässigkeit im Zuge des HF-Schaltungsentwurfes. (iv) Experimentelle Stresstests ausgewählter HF-Schaltungsblöcke und Vergleich ihrer Degradation über der Zeit mit dem entwickelten Ansatz im Rahmen der HF-Schaltungssimulation. Somit geht dieses Projekt, das zudem einen weiten Frequenzbereich (10 GHz bis 180 GHz) abdeckt, weit über die konventionellen statischen Zuverlässigkeitsuntersuchungen hinaus. Die erzielten Resultate werden den HF-Schaltungsentwurf mit der Berücksichtigung von Degradationseffekten relevanter Transistorparameter ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen