Analysis and simulation of high electron mobility transistors

Abstract

HIGH Electron Mobility Transistors (HEMTs) are among the fastest three terminal devices existing. They find their application in communication, sensing, and radar, when high output power, high gain, and low noise properties are required. This work describes the development and application of simulation software, namely the two-dimensional device simulator MINIMOS-NT, for heterostructure devices. In a continuous interplay with process development, a number of HEMT technologies from different foundries are modeled. The frequency range of application covers cell phones (900 MHz) up to ultra-high frequency low noise amplifiers (140 GHz). Thereby special emphasis is put on the Ka-frequency band (26.5-40 GHz) in this work. Devices from various AlGaAs/InGaAs/GaAs and InAlAs/InGaAs HEMT technologies can be precisely simulated in a global calibration concept. For high-power HEMTs in the Ka-band simulation of impact ionization and of self-heating is included in the simulations. The results are correlated to three-dimensional thermal chip simulation. Several studies are presented, e.g. in order to predict the mechanisms within recessed devices. Physics based small-signal S-parameters are extracted with MINIMOS-NT in agreement with measurements using a conventional deembedding concept, whereby special emphasis is put on the quantitative understanding of the bias dependence of S-parameters. From a statistical point of view, sensitivity analysis of HEMTs for Millimeter Wave Integrated Circuits (MMIC) at 77 GHz is given. Applying statistical concepts to both simulations and measurementsallows for a better understanding of the technologies. InAlAs/InGaAs HEMTs grown on metamorphic buffer on GaAs and on InP substrates are simulatedwhere by agreement with measurements is obtained. A rigorous material modeling is presented for this materials system including high field effects. It is found that both approaches, the metamorphic and the lattice matched, can be simulated with an identical set of transport parameters being used. For AlGaN/GaN HEMT a set material parameters has been implemented into MINIMOS-NT and simulations are shown in agreement with data from an experimental process. The technologies under investigation are further characterized with a Ka-band load-pull system that is established. A power density of 735 mW/mm at 35 GHz and an overall absolute output power of 352 mW from one transistor was measured on an optimized AlGaAs/InGaAs pseudomorphic HEMTon coplanar waveguide technology. These HEMTs reach up to 26 V breakdown voltage for 200 nm gate length.Several simulation studies highlight the optimization process, and, most important, the sensitivity towards process variations is investigated in order to obtain stable and long term reliable HEMTs.

HIGH Electron Mobility Transistors (HEMTs) gehöen zu den schnellsten verfügbaren dreipoligen Bauelementen. Sie finden ihre Anwendung in der Kommunikationstechnik, der Fernabtastung und im Radar, wenn höchste Ausgangsleistungen, hohe Verstärkung und niedrige Rauschpegel erforderlich sind. In dieser Arbeit wird die Entwicklung und Anwendung von Simulationssoftware, namentlich des Bauelementsimulators MINIMOS-NT, für Heterostruktur-Bauelemente beschrieben. In einem kontinuierlichen Wechselspiel mit industrieller Prozessentwicklung werden eine Reihe verschiedener HEMT Technologien aus verschiedenen Halbleiterproduktionen modelliert. Das Frequenzspektrum der Anwendung reicht vom Mobilfunk bei 900 MHz bis hin zu Höchstfrequenzanwendungen für rauscharme Verstärker bei 140 GHz. Das Ka-Frequenzband (26.5-40 GHz) findet dabei besondere Berücksichtigung im Rahmen dieser Arbeit. Bauelemente aus verschiedenen HEMT Technologien auf der Basis der Materialsysteme AlGaAs/ InGaAs/GaAs und InAlAs/InGaAs können in einem globalen Kalibrationskonzept präzise simuliert werden. Für HEMTs mit hoher Ausgangsleistung wird die Simulation von Stoßionisation und Selbsterwärmung durchgeführt und korreliert mit Ergebnissen der dreidimensionalen thermischen Chipsimulation. Diese Arbeit präsentiert ferner verschiedene Studien, z.B. für das Verständnis der Mechanismen in Bauelementen mit doppeltem Ätzgraben. Physikalisch basierte Kleinsignal S-Parameterwerden in guter ̈Ubereinstimmung mit Messungen mittels MINIMOS-NT extrahiert. Die Extraktion basiert auf einem konventionellen Schalenkonzept für die parasitären Elemente. Ein besonderes Augenmerk gilt hierbei dem quantitativen Verständnis der Arbeitspunktabhängigkeit der S-Parameter. Von einem statistischen Standpunkt aus werden Empfindlichkeitsanalysen für HEMTs in Millimeterwellen Anwendungen bei 77 GHz durchgeführt, da die Anwendung statistischer Konzepte in Simulation und Messung ein besseres Verständnis der betrachteten Technologien erlaubt. In-AlAs/InGaAs HEMTs gewachsen auf metamorphem Puffer auf GaAs und auf InP Substraten werden simuliert, wobei eine gute ̈Übereinstimmung mit Messungen erzielt wird. Hierzu wird eine rigorose Modellierung der Materialeigenschaften für dieses Materialsystem präsentiert, die Hochfeldeffekte einschließt. Es wurden keine Unterschiede für die Materialparameter der HEMTs auf den verschiedenen Substratmaterialien beobachtet. Ein Satz Materialdaten f ̈ur AlGaN/GaN HEMTs ist in MINIMOS-NT implementiert worden und die Simulationen zeigen ̈Übereinstimmung mit Daten eines Entwicklungsprozesses. Die untersuchten HEMT Technologien werden durch ein Ka-band Load-Pull System charakterisiert, das vom Autor erstellt wurde. Mit einem optimierten AlGaAs/ In GaAspseudomorphen HEMT auf coplanarer Technologie wird eine Leistungsdichte von 735 mW/mm bei 35 GHz und eine absolute Ausgangsleistung von 352 mW aus einem Transistor erreicht. Diese HEMTs erreichen bei einer Gatelänge von 200 nm bis zu 26 V Durchbruchsspannung. Eine Reihe von Simulationsstudien, die in erster Linie die Stabilisierung gegen ̈uber Prozessvariationen zum Ziel haben, unterstreichen den Optimierungsprozess, um langzeitstabile und zuverlässige HEMTs zu erhalten.