Simulation of heterojunction bipolar transistors

Abstract

Heteroübergang-Bipolar-Transistoren (HBTs) gehören zu den modernsten Halbleiterbauelementen. Sie erfüllen alle Voraussetzungen, um im Frequenzbereich zwischen 0.9 und 100 GHz höchste Operationsgeschwindigkeiten, niedrigen Energieverbrauch und hohe Integrationsdichten mit niedrigen Grenzkosten zu erzielen. In großer Stückzahl werden zur Zeit II-V HBT MMICs auf sechs Zoll Scheiben, und SiGe HBT Schaltungen in CMOS Technologie auf acht Zoll Scheiben gefertigt. Um die exlodierenden Entwicklungskosten moderner Halbleiterbauelemente in den Griff zu bekommen, wird in großern Ausmaß Technology Computer-Aided Design (TCAD) eingesetzt. Technologie-, Bauelement- und Schaltungssimulatoren verbessern die Bauelementeigenschaften ohne teuren technischen Aufwand. In der vorliegenden Dissertation wird der Status der HBT Forschung diskutiert. Ein Überblick über den Stand der Technik wird gebracht und die bei HBT's verwendete Materialien und Materialsysteme, unter besonderer Berücksichtigung von MINIMOS-NT, werden diskutiert. MINIMOS-NT ist ein generischer, zweidimensionaler Bauelementsimulator und Teil der VISTA TCAD Umgebung. Ein großer Teil der in dieser Arbeit ist der Weiterentwicklung und der praktischen Anwendung von MINIMOS-NT gewidmet. Die verwendeten physikalischenModelle werden detailiert vorgestellt. Dies beinhaltet sowohl Modelle für die Gittereigenschaften, das Temperaturverhalten und die Transporteigenschaften verschiedener Halbleitermaterialien, genauso wie Modelle für wichtige HBT typische Effekte. Kritische, die Simulation von Heterostrukuren betreffende Punkte werden analysiert, zum Beispiel die Modellierung von Grenzflächen von Heteroübergängen und Isolatoroberflächen, von Bandstrukturen und der Abnahme der Bandkantenenergie bei Hochdotierung (bandap narrowing), von Selbsterwärmung und von Effekten die bei hohen Feldstärken auftreten. Um die weiteren Fähigkeiten von MINIMOS-NT zu demonstrieren, werden Simulationsergebnisse für verschiedene Typen von GaAs- und Si-basierender HBTs, meist in Verbindung mit Messergebnissen, präsentiert. Hierbei wird spezielles Augenmerk auf die Simulation von Hochleistungs AlGaAs/GaAs und InGaP/GaAs HBTs gelegt. Weiters werden zweidimensionale Gleichstromsimulationen verschiedener Einfingerbauelemente, die in einern weiten Temperaturbereich mit den Messergebnissen übereinstimmen, vorgestellt, wobei bereits Selbsterwärmungseffekte in die Ausgangskennlinie eingehen. Die Arbeit wird noch durch transiente Simulation von Kleinsignalparametern ergänzt, wodurch das Gleich- und Hochfrequenzverhalten der Bauelemente gemeinsam analysiert werden kann. Ein Vergleich simulierter und gemessener S-Parameter und die Abhängigkeit von fT von einigen Bauelementparametern wird präsentiert. Der praktische Nutzen von Baulementsimulationen wird durch Zuverlässigheitsuntersuchungen unterstrichen. SiGe HBTs und Polsilizium Emitter BJT Beispiele bilden den Abschluss der in dieser Dissertation vorgestellten Studien.

Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs) are among the most advanced semiconductor devices. They match well today’s requirements for high-speed operation, low power consumption, high-integration, low cost in large quantities, and operation capabilities in the frequency range from 0.9 to 100 GHz. At present TI-V HBT MMICs on six-inch wafers and SiGe HBT circuits as part of the CMOS technology on eight-inch wafers are in volume production. To cope with the explosive development costs of today’s semiconductor industry Technology Computer-Aided Design (TCAD)} methodologies are extensively used. Technology, device, and circuit simulation tools save expensive technological efforts while improving the device performance.The thesis discusses the status of research regardıng HBTs, including a review of state-of-the-art devices, a review of state-of-the-art device simulators, with emphasis on MINIMOS-NT, and a discussion on ihe materials and material systems on which HBTs are based on.MINIMOS-NT is a generic two-dimensional device /circuit simulator used in the VISTA TCADframework. A large part of ihe work presented in this thesis is on the development and thepractical application of MINIMOS-NT. A detailed discussion on the physical modeling inMINIMOS-NT is presented. Tt contains models for the lattice, thermal, and transport properties of various semiconductor materials, as well as models for several important effects taking place in HBTs. Critical issues concerning simulation of heterostructures are analyzed, such as interface modeling at heterojunctions and insulator surfaces, band structure and bandgap narrowing, the modeling of self-heating and high-held effects. Simulation results for several different types of GaAs-based and Si-based HBTs demonstrating the extended capabilities of MINIMOS-NT are shown, most of them in comparison with experimental data. Special emphasis is put: on the simulation of high-power AlGaAs/GaAs and InGaP/GaAs HBTs. Two-dimensional DC-simulations of different types of one-Anger devices in very good agreement with measured data in a wide temperature range are demonstrated. Self-heating effects are accounted for the output, device characteristics. The work is extended with transient simulation of small signal parameters to connect DC- and RF- device operation. A comparison of simnlated and measured S-parameters and the dependence of fT on some device parameters are presented. Device rellability Investigations which confirm the usefulness of device simulation for practical applications are also offered. Examples of SıGe HBTs and polysilicon emitter BJT conclude the work presented in the thesis.