Simulation of high electron mobility transistors

Abstract

This thesis discusses III-Nitride materials and material systems on which HEMTs are based. Own Monte Carlo simulations are supplemented by an extensive study of experimental and theoretical works available.<br />Using the most recent findings for the band structure and accounting for all relevant scattering mechanisms the simulations show electron transport properties which are in agreement with those reported for GaN and AlN. For InN superior transport characteristics are predicted due to the lower band gap.<br />New transport models suitable for III-V materials are developed based on the extensive summary of available experimental and theoretical data and the own simulations results. They are subsequently implemented in the device simulator Minimos-NT. Established physical models for the lattice and thermal properties of the materials as well as models describing relevant effects are discussed with respect to HEMT specifics and material properties.<br />Several GaN-based device generations are simulated using the presented models and model parameters. A very good agreement with experimental data and excellent predictive results allow for extensive optimization studies of the gate geometry. Performance predictions for down-scaled devices in high-temperature operation are shown. Transconductance investigations are discussed with respect to the transport model used.<br />InAlN/GaN structures are studied and their RF performance is analyzed accounting for improved material quality. At last two different approaches towards the realization of normally-off devices are examined:<br />the recess gate technique and band structure engineering using an additional InGaN cap layer. Based on experimental DC data, the RF performance is predicted and compared.<br />

In der vorliegenden Dissertation werden die in HEMTs verwendeten III-V Halbleiter diskutiert. Eigene Monte Carlo-Simulationen werden durch eine umfassende Studie von vorhandenen experimentellen und theoretischen Werken erg¨anzt. Unter Berucksichtigung neuester Forschungsergebnisse uber die Bandstruktur der Materialien und aller wichtigen Streuungs-Mechanismen werden Elektronen-Transporteigenschaften errechnet, welche fur GaN und AlN in guter Ubereinstimmung mit den vorhandenen Ergebnissen sind. Aufgrund der kleinen Bandlucke fur InN, deuten die Simulationen auf ein besseres Transportverhalten als bisher angenommen.<br />Auf der Basis eigener Simulationsergebnisse sowie auch zusammengefasster experimenteller und theoretischer Daten, werden neue Transportmodelle, maßgeschneidert fur III-V Materialien, entwickelt und anschließend in den generischen Bauelementsimulator Minimos-NT implementiert.<br />Bestehende Modelle fur die Gittereigenschaften und das Temperaturverhalten, sowie auch Modelle fur wichtige Effekte, werden unter Berucksichtigung der HEMT-Besonderheiten und Materialeigenschaften diskutiert.<br />Eine Reihe HEMT Bauelemente aus verschiedenen Generationen wird modelliert. Dabei werden die beschriebenen Modelle und Materialparametersatze benutzt. Sehr gute Ubereinstimmung mit experientellen Messdaten und bemerkenswerte pradiktive Simulationsergebnisse ermoglichen eine Optimierungsstudie der Gate-Elektrodengeometrie. Ferner werden die Transistoreigenschaften bei hoheren Temperaturen und kurzeren Gate-Langen untersucht.<br />Transkonduktanzanalysen in Bezug auf die benutzten Transportmodelle werden durchgefuhrt. InAlN/GaN Transistoren werden simuliert und das HF-Verhalten fur erhohte Materialqualitat wird erortert. Als Abschluß werden zwei unterschiedliche Ansatze zum Erzielen des normally-off Verhaltens gepruft: Die Gate-Recess-Technik und das Band-Structure-Engineering mittels einer InGaN Schicht. Das HF-Verhalten wird verglichen und analysiert.<br />