Simulation von Silizium-Germanium Heterobipolartransistoren

Forschungsprojekt P 14483Simulation von Silizium-Germanium HeterobipolartransistorenSiegfried SELBERHERR09.10.2000 Heterostruktur-Bipolar-Transistoren (HBTs) erfahren in jüngster Zeit großes industrielles Interesse. Das vorliegende Projekt zielt auf die Entwicklung von neuen Modellen für die numerische Bauelementsimulation. Dies bezieht sich auf Modelle für die effektiven Massen, die effektive Zustandsdichten, die Beweglichkeiten, und die Bandkantenenergien für verspanntes und unverspanntes Silizium-Germanium (SiGe), und die Anwendung dieser Modelle für die numerische Simulation von SiGe HBTs. Für die elektro-thermische Simulation ist die Modellierung der thermischen Materialeigenschaften notwendig. Die entwickelten Modelle werden in den zweidimensionalen Bauelement-Simulator MINIMOS-NT implementiert. Der Schwerpunkt liegt auf der Anwendung der numerischen Simulation zur Erfüllung industrieller Bedürfnisse. Physikalisch basierte DC- Simulation, Mixed-Mode Bauelement/Schaltkreissimulation, Kleinsignalsimulationen der Hochfrequenzeigenschaften und Zuverlässigkeitsuntersuchungen von hohem anwendungsspezifischen Interesse werden durchgeführt. Unsere Vorgehensweise basiert auf Erfahrung mit HBTs und anderen Bauelementen aus III- V Verbindungshalbleitern.

Heterostruktur-Bipolar-Transistoren (HBTs) sind zur Zeit für die Industrie von großem Interesse. Im Besonderen besitzen Silizium-Germanium (SiGe) HBTs sehr attraktive Eigenschaften, welche es erlauben die der etablierten CMOS Technologie inhärenten Vorteile für die Hochfrequenzelektronik zu nutzen. Mehr und mehr werden SiGe HBTs in den höchsten Frequenzbereichen zu einer echten Herausforderung für Bauelemente, die auf III-V (GaAs, InP, etc.) Halbleitermaterialien basieren. SiGe Bauelemente benutzen verspannte SiGe Schichten, um bessere Eigenschaften zu erreichen. Diese Bauelemente haben in den letzen fünf Jahren große Schritte in Richtung Industriereife gemacht und die Leistungsfähigkeit der Siliziumtechnologie für immer höhere Frequenzen erweitert. Wichtige Beiträge für diese Technologie kommen von Hitachi (Japan), IBM (USA), und Infineon (Deutschland). Auch die österreichische Firma Austriamicrosystems AG hat eine gute Position mit diesen Bauelementen erreicht. Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurden neue Modelle für die Materialeigenschaften von SiGe entwickelt. Darunter sind Modelle für die effektiven Massen, die effektive Zustandsdichten, die Beweglichkeiten, die Bandkantenenergien für verspanntes und unverspanntes Silizium-Germanium (SiGe), und die Anwendung dieser Modelle für die numerische Simulation von SiGe HBTs. Um eine elektro-thermische Simulation zu ermöglichen, wurden Modelle der thermischen Werkstoffeigenschaften entwickelt. Besondere Sorgfalt wurde für den Energietransport unter Hochfeldbedingungen an den Heteroübergängen aufgewandt. Die entwickelten Modelle wurden in den zweidimensionalen Bauelement-Simulator MINIMOS-NT implementiert. Der Schwerpunkt lag auf der Anwendung der numerischen Simulation zur Erfüllung industrieller Bedürfnisse. Physikalisch basierte DC und AC Simulationen wurden für SiGe HBTs von Austriamicrosystems durchgeführt. Die Modelle wurden mittels Vergleich von bei verschiedenen Temperaturen simulierten und gemessenen Eingangskennlinien für verschiedene SiGe HBTs mit unterschiedlichem Germaniumgehalt verifiziert. Die Simulation der Ausgangskennlinien wurde unter Berücksichtigung der Selbsterwärmung und der Impaktionisierung anhand von Messergebnissen überprüft. Die bestehende Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten S- Parametern gibt weiters die Möglichkeit zur Großsignalanalyse. Optimierungen der Verteilung der Dopanten im Bauelement wurden in Hinblick auf unterschiedliche Erfordernisse (Hochgeschwindigkeit oder Durchbruchfestigkeit) durchgeführt. Insgesamt wurde im Rahmen dieses Projektes ein vollständiger Satz von Modellen entwickelt, der die Anforderungen, welche die Erforschung industrieller Bauelemente mit eine computerunterstützten Entwicklungsumgebung stellt, erfüllt.