Ultra-skalierte SiGeC-HBTs jenseits der existierenden Roadmap - eine Simulationsstudie

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Michael Schröter; Dr. Jörg Schuster
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 466103046

Silizium-Germanium-Heteroübergangs-Bipolartransistoren (SiGe- HBTs) haben dank der Möglichkeit zur Ko-Integration mit CMOS vielfältige Anwendungen in der Hochfrequenz(HF)-Technik gefunden, z.B. für Kommunikationstechnologien und in der Automobil-Sensorik. Die Ko-Integration ermöglicht hohe Datenübertragungsraten unddigitale Signalverarbeitung auf einem einzelnen Chip. Gefertigte SiGe-HBTs erreichten bisher Grenzfrequenzen von bis zu 700 GHz und neueste Simulationen sagen 2 THz als physikalische Grenze vorher. Damit ermöglichen SiGe-HBTs die Entwicklung vonMillimeterwellen- und THz-Elektronik mit zahlreichen Anwendungen, beispielsweise in den Bereichen Gesundheit, Sicherheit und Forschung. Für die oben genannte Vorhersage der maximalen Grenzfrequenz wurde eine Simulationskette von (semi-)klassischenSimulationswerkzeugen verwendet. Dabei ergab sich eine optimale SiGe-Basisdicke von 5 nm, was 36 Atomlagen entspricht. Selbst mit einer Bor-Dotierung nahe der Löslichkeitsgrenze befinden sich somit im Mittel nur 0.36 Dotierungsatome in einem 5 nm dicken <100> Stapel konventioneller Gitter-Einheitszellen. Kohlenstoff-Atome,welche die Ausdiffusion der Bor-Dotanden hindern, wurden in den genannten Simulationen nur phänomenologisch berücksichtigt. Die diskrete Natur der Bor- bzw. Kohlenstoff-Atome führt bei derart dünnen Schichten jedoch unweigerlich zu statistischen Schwankungen in den elektrischen Transporteigenschaften. Diesekönnen mit den bisher verwendeten semi-klassischen Ansätzen nicht beschrieben werden und erfordern eine atomistische Beschreibung.Atomistische Studien von dotierten SiGeC-HBTs, bei welchen der Ladungstransport senkrecht zur dünnen SiGe-Basis stattfindet, fehlen aktuell jedoch. Dieses Forschungsvorhaben adressiert Ladungstransport und HF-Eigenschaften in hochskalierten, dotierten SiGeC-HBTs erstmalig unter Berücksichtigung der atomaren Struktur. Da die vollständige HBT-Struktur aufgrund zu vieler Atome nichtatomistisch simulierbar ist, wird ein Multiskalen-Ansatz verfolgt, um die HF-Eigenschaften zu bestimmen. Zuerst werden hierzu die für den elektronischen Transport relevanten Materialeigenschaften dünner HBT-Schichten für verschiedene atomare Anordnungen bestimmt. Es werden Methoden entwickelt, um diese Materialeigenschaften in Boltzmann-Transportsimulationen zu integrieren und um klassische Drift-Diffusions-Modelle zu kalibrieren. Letztgenannte Modelle sind zur Strukturoptimierung und Generierung von Referenzdaten für Kompaktmodelle unabdinglich. Kompaktmodelle wiederum werden zur Berechnung der HF-Kennlinienvon realistischen HBTs und Schaltkreisen verwendet. Mit diesem Ansatz, welcher die Lücke zwischen Materialwissenschaften und Elektrotechnik schließt, wird der Einfluss statistischer Schwankungen in der atomaren Struktur auf die elektrischenKennlinien untersucht und die weitere vertikale Skalierung der HBT-Basiserforscht. Die Untersuchungen werden durch Messungen an speziell hergestellten SiGeC-HBTs unterstützt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen