Kompaktmodellierung und Bauelementesimulation von Terahertz InGaAs/InP Heterojunction-Bipolartransistoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schröter
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438512651

• Erstellungsjahr: 2025

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Heteroübergangs-Bipolartransistoren (HBTs) besitzen die höchste Leistungsdichte und ermöglichen durch ihre extrem hohe Steilheit höchste Schaltkreisgeschwindigkeiten. Für HBTs auf Indiumphosphid-Basis (InP) wurden Grenzfrequenzen von über 1 Terahertz (THz) für die Leistungsverstärkung nachgewiesen. Für den Einsatz einer solchen Hochgeschwindigkeits-HBT-Technologie bei der Entwicklung von Schaltkreisen und Systemen in (Sub-)mm-Wellen-Anwendungen sind kompakte Transistormodelle erforderlich, die die gemessenen Transistoreigenschaften über einen weiten Arbeitsbereich (einschl. Temperatur, Frequenz und Geometrie) genau erfassen. Die traditionell sehr begrenzte Genauigkeit und Geometrieskalierbarkeit bestehender Modelle, die typischerweise im III-V-Bereich verwendet werden, verhindern eine Schaltungsoptimierung und damit die volle Nutzung der jeweiligen Technologie. In diesem Projekt wurde das Industriestandard-Kompaktmodell HICUM/L2 basierend auf TCAD- und Messdaten erweitert. Mit den vorgeschlagenen Modellerweiterungen wurde für drei der derzeit fortschrittlichsten verfügbaren InP-HBT-Technologien eine gute Übereinstimmung mit Messdaten hinsichtlich Arbeitspunkt, Frequenz (bis zu 220 GHz), Geometrie und Temperatur gezeigt. Darüber hinaus wurden mit dem Modell verschiedene Schaltkreise entworfen. Die Messdaten dieser Schaltkreise, die in verschiedenen InP-HBT-Technologien hergestellt wurden, lieferten sehr gute Ergebnisse bzgl. der Genauigkeit des Modells im Großsignalbetrieb. Die Genauigkeit des Modells ermöglichte auch die Untersuchung der Grenzen des sicheren Betriebsbereichs der HBTs und wurde zur Generierung von Referenzdaten für die Überprüfung und Kalibrierung der entwickelten TCAD-Software verwendet. Wie im Antrag gezeigt wurde, funktionierten numerisch effiziente TCAD-Programme für III-V-HBTs nicht und verhinderten so wertvolle Einblicke in die relevanten physikalischen Effekte. In diesem Projekt wurde ein Simulator für Drift-Diffusion (DD)-Transport entwickelt, in dem zwei Leitungsbänder (two-valley (2v)) und nichtlokale Transporteffekte berücksichtigt wurden. Der Simulator wurde für wichtige binäre und ternäre Verbindungshalbleiter kalibriert. Er ermöglichte somit detaillierte Einblicke in den Betrieb fortschrittlicher InP-HBTs und war eine wertvolle Referenz für die Entwicklung kompakter Modelle. Die Kombination des rechnerisch effizienten 2v-aDD- Simulators und eines aufwändigen, aber physikalisch anspruchsvolleren Boltzmann-Transportsolvers der RWTH Aachen stellt das erste umfassende und praktisch nutzbare TCAD-Framework für fortschrittliche III-V-HBTs dar, das realistische Ergebnisse liefert und alle relevanten physikalischen Effekte einbezieht ohne Konvergenzprobleme zu verursachen. Neben der Integration des Kompaktmodells in Designkits resultierten aus diesem Projekt neun Zeitschriftenveröffentlichungen, elf Konferenzbeiträge und vier Abschlussarbeiten.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• 1-D Drift-Diffusion Simulation of Two-Valley Semiconductors and Devices. IEEE Transactions on Electron Devices, 68(3), 1221-1227.
  Müller, Markus; Dollfus, Philippe & Schröter, Michael
  
• Advances in foundry SiGe HBT BiCMOS processes through modeling and device scaling for ultra-high speed applications. 2021 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), 1-5. IEEE.
  Phillips, S.; Preisler, E.; Zheng, J.; Chaudhry, S.; Racanelli, M.; Muller, M.; Schroter, M.; McArthur, W. & Howard, D.
  
• Augmented Drift-Diffusion Transport for the Simulation of Advanced SiGe HBTs. 2021 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), 1-4. IEEE.
  Muller, M.; Schröter, M.; Jungemann, C. & Weimer, C.
  
• Characterization and Modeling of Thermal Coupling in Multi-Finger InP DHBTs. 2022 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), 208-211. IEEE.
  Müller, Markus; Nardmann, Tobias; Froitzheim, Maximilian & Schröter, Michael
  
• Device modeling tools and their application to SiGe HBT development. 2022 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), 1-8. IEEE.
  Schröter, Michael; Müller, Markus & Krattenmacher, Mario
  
• DMT-core: A Python Toolkit for Semiconductor Device Engineers. Journal of Open Source Software, 7(75), 4298.
  Krattenmacher, Mario; Müller, Markus; Kuthe, Pascal & Schröter, Michael
  
• Experimental Determination, Modeling, and Simulation of Nonlinear Thermal Effects in Bipolar Transistors under Static Conditions: A Critical Review and Update. Energies, 15(15), 5457.
  d.’Alessandro, Vincenzo; Catalano, Antonio Pio; Scognamillo, Ciro; Müller, Markus; Schröter, Michael; Zampardi, Peter J. & Codecasa, Lorenzo
  
• Geometry scalable compact modeling of GaAs HBTs. 2022 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), 212-215. IEEE.
  Nardmann, Tobias; Kolev, Plamen; Tao, Nick & Schröter, Michael
  
• Methods for Extracting the Temperature- and Power-Dependent Thermal Resistance for SiGe and III-V HBTs From DC Measurements: A Review and Comparison Across Technologies. IEEE Transactions on Electron Devices, 69(8), 4064-4074.
  Muller, Markus; d.'Alessandro, Vincenzo; Falk, Sophia; Weimer, Christoph; Jin, Xiaodi; Krattenmacher, Mario; Kuthe, Pascal; Claus, Martin & Schroter, Michael
  
• "Analysis of distributed thermal effects in SiGe and InP HBT power amplifier transistors, cells and arrays", Diploma Thesis, CEDIC, TU Dresden.
  G. Liang
  
• A Critical Review of Techniques for the Experimental Extraction of the Thermal Resistance of Bipolar Transistors from DC Measurements—Part I: Thermometer-Based Approaches. Electronics, 12(16), 3471.
  d.’Alessandro, Vincenzo; Catalano, Antonio Pio; Scognamillo, Ciro; Müller, Markus; Schröter, Michael; Zampardi, Peter J. & Codecasa, Lorenzo
  
• Improved nonlinear electrothermal simulation of bipolar transistors: Application to InP/InGaAs DHBTs. 2023 29th International Workshop on Thermal Investigations of ICs and Systems (THERMINIC), 1-4. IEEE.
  Scognamillo, Ciro; Catalano, Antonio Pio; Della Ragione, Giuseppe; Müller, Markus; Schröter, Michael; Codecasa, Lorenzo & d.’Alessandro, Vincenzo
  
• Multi-Finger 250-nm InP/GaAsSb DHBTs with Record 37.3 % Class-A PAE at 94 GHz. 2023 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), 145-148. IEEE.
  Hamzeloui, Sara; Arabhavi, Akshay M.; Ciabattini, Filippo; Ebrahimi, Mojtaba; Müller, Markus; Ostinelli, Olivier; Schröter, Michael & Bolognesi, Colombo R.
  
• Nonlinear Compact Modeling of InP/InGaAs DHBTs with HICUM/L2. ESSDERC 2023 - IEEE 53rd European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC). IEEE.
  Müller, Markus; Weimer, Christoph & Schröter, Michael
  
• 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
  
• 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
  
• Physics-Based Compact Modeling of the Transfer Current in III-V DHBTs with the Generalized Integral Charge Control Relation. 2023 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), 12-15. IEEE.
  Müller, Markus; Krattenmacher, Mario; Leenders, Hendrik; Hamzeloui, Sara; Bolognesi, Colombo; Jungemann, Christoph & Schröter, Michael
  
• RF Reliability of SiGe and InP HBTs: A Comparative Study. 2023 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium - IMS 2023, 8-11. IEEE.
  Weimer, Christoph; Müller, Markus; Vardarli, Eren; Claus, Martin & Schröter, Michael
  
• "Physics-based TCAD and compact modeling with special emphasis on Indium-Phosphide heterojunction bipolar transistors", Ph.D. thesis, CEDIC, TU Dresden.
  M. Müller
  
• Indium-Phosphide Transistors: A Review of Current State and Suitability for Commercial > 100-GHz Wireless Communication Systems. IEEE Microwave Magazine, 25(10), 38-53.
  Markman, Brian & Schröter, Michael
  
• On the Safe Operating Area of InP HBTs. 2024 IEEE BiCMOS and Compound Semiconductor Integrated Circuits and Technology Symposium (BCICTS), 290-293. IEEE.
  Müller, Markus; Fregonese, Sebastien; Weimer, Christoph; Liang, Guangsheng; Jin, Xiaodi; Froitzheim, Maximilian; Zimmer, Thomas & Schröter, Michael
  
• Record 35% Power-Added Efficiency at 170 GHz in 300-nm InP/GaAsSb DHBTs. IEEE Microwave and Wireless Technology Letters, 34(8), 1003-1006.
  Hamzeloui, Sara; Arabhavi, Akshay M.; Ciabattini, Filippo; Bonomo, Giorgio; Ebrahimi, Mojtaba; Chaudhary, Rimjhim; Müller, Markus; Ostinelli, Olivier; Schröter, Michael & Bolognesi, Colombo R.
  
• Analysis of Multivalley Phenomena in InP/GaAsSb DHBTs Using the Boltzmann Transport Equation. IEEE Transactions on Electron Devices, 72(6), 2898-2905.
  Kazantsev, Viktor; Müller, Markus; Leenders, Hendrik; Faißt, Josephine; Jin, Xiaodi; Hamzeloui, Sara; Bolognesi, Colombo R.; Jungemann, Christoph & Schröter, Michael