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6.3.2 Simulation des rauscharmen HFET LN-19

Der DH-HFET LN-19 mit Rückseiten- und d-Dotierung für rauscharme Anwendungen konnte im Gegensatz zum LN-16 nicht so erfolgreich simuliert werden. Obwohl auch hier verschiedene Parameter, wie der Gate-Kanal Abstand, die Dotierstoffkonzentration und die Kontakttiefe variiert wurden, konnten die simulierten Bauelementkennlinien nicht mit der Messung zur Übereinstimmung gebracht werden. Abbildung 6.22 zeigt die simulierte Transferkennlinie und die Steilheit des LN-19 im Vergleich zu den Meßwerten.

Abbildung 6.22: Vergleich der simulierten Transferkennlinie (durchgezogene Linie) und Steilheit (gestrichelte Linie) mit den gemessenen Werten (geschlossene bzw. offene Kreise) bei VDS = 2 V.

Die Absolutwerte von Steilheit und Drainstrom werden zwar relativ gut wiedergegeben, jedoch scheint die Transferkennlinie und damit auch das Maximum der Steilheit zu negativen Gatespannungen verschoben zu sein. Eine Verringerung der Dotierstoffkonzentration im Rahmen der zulässigen Grenzen (10%) gegenüber der nominalen Vorgabe bringt nur eine geringfügige Verschiebung (DVTh = 0.05 V) der Transferkennlinie. Eine starke Segregation könnte allerdings im realen Bauelement dazu führen, daß die eigentliche d-Dotierung sehr weit 'verschmiert' wird und die effektive Dotierstoffkonzentration im Bereich der schmalen GaAs-Schicht weit geringer ist, als angenommen. Ein Hinweis darauf existiert allerdings nicht und widerspricht auch dem technologischen Herstellungsprozeß, der gerade darauf ausgerichtet ist, eine solche Segregation zu vermeiden. Zusätzliche Simulationen haben gezeigt, daß die d-Dotierung nicht primär den Absolutwert des Drainstroms beeinflußt, sondern vielmehr für die maximale Steilheit verantwortlich ist. Im Gegensatz dazu beeinflußt die Rückseitendotierung nur den Strom, die Steilheit aber nicht (s. folgende Abschnitte). Die bei negativen Gatespannungen flache Transitfrequenz bzw. die auf hohem Niveau bleibende Steilheit weisen darauf hin, daß im simulierten Bauelement ein Bufferstrom existiert, der nur schwer durch Verringerung der Gatespannung zu verhindern ist. Das Bauelement läßt sich daher in der Simulation nur schwer sperren.

Insgesamt kann die Ursache der Abweichungen zwischen Simulation und Messungen nicht über die Variation der Eingabedaten lokalisiert werden und liegt eventuell im Simulator selbst begründet. Eine Ursache könnte auch hier die Modellierung der Kontaktregion sein, die zu einem zu niedrigen Kontaktwiderstand führt. Daß der Kontaktwiderstand in der Simulation zu klein widergegeben wird zeigt auch das simulierte Ausgangskennlinienfeld (Abb. 6.23). Die Berücksichtigung extrinsischer Kontaktwiderstände führt zwar zu einer verbesserten Anpassung des Kennlinienfeldes im Anlaufbereich, ändert aber insgesamt nichts an der nur ungenügenden Anpassung an die Meßwerte. Im oberen Bereich zeigt das simulierte Kennlinienfeld außerdem teilweise einen negativen Ausgangsleitwert, wie er in der Messung nicht zu erkennen ist. Da es in der Simulation keinen Hinweis auf eine starke Erwärmung des Bauelements gibt, die bei Messungen zu ähnlichen Degradationen der Kennlinien führen kann, ist dies wiederum auf die Überbewertung des Bufferstroms zurückzuführen.

Abbildung 6.23: Simuliertes Ausgangskennlinienfeld für den LN-19. Gatespannung: -1.0 V VGS +0.6 V, Schrittweite: DVGS = 0.2 V.

Abbildung 6.24 zeigt zwar keine sehr hohe Stromdichte im Bereich des Buffers (Vgs = +0.4 V), aber immerhin eine Stromdichtekomponente, die sehr tief in den Buffer reicht und eventuell für die Degradation der simulierten Kennlinie verantwortlich zu machen ist. Ursache dieses Bufferstroms ist die Rückseitendotierung. Im realen Bauelement tritt dieser Bufferstrom in dieser Form offensichtlich nicht auf (s.a. Abb. 6.6). Außerdem zeigt Abb. 6.24 eine hohe Stromdichte (2107 A/cm2) in der GaAs-Schicht der d-Dotierung (schmale Zone zwischen Gate und Kanal). Dies ist äquivalent mit einem parasitären Kanal, der jedoch hier nicht zu einem verschlechterten Ladungskontrollverhalten bei Variation der Gatespannung führt. Da die Ladungsträger im Bereich der d-Dotierung sehr stark lokalisiert sind und zudem der Abstand zum Gate äußerst gering ist, können sie sehr gut durch das Gate-Potential moduliert werden. Das bedeutet, daß ein parasitärer Kanal, der durch d-Dotierung sehr nahe unterhalb des Gates entsteht, im Gegensatz zur Erwartung durchaus zur Erhöhung der Steilheit beitragen kann.

Bei negativer Gatespannung wird der parasitäre Kanal unterhalb des Gates auch im Bereich der d-Dotierung unterbrochen und der Strompfad verläuft fast ausschließlich im InyGa1-yAs-Kanal (Abb. 6.25). Es ist daher zu vermuten, daß der parasitäre Kanal bei konstanter Gate-, aber variabler Drainspannung auch für den negativen Ausgangsleitwert mit verantwortlich sein könnte. Allerdings ist die Veränderung der Stromdichte im Bereich der d-Dotierung kaum erkennbar, wenn für VGS = +0.4 V auch bei VDS = 1 V simuliert wird und der Effekt somit nicht nachweisbar.

Die schlechte Anpassung der simulierten Transferkennlinie und der Steilheit an die Meßwerte spiegelt sich auch in der Transitfrequenz wider (Abb. 6.26).

Abbildung 6.26: Vergleich der simulierten Transitfrequenz (durchgezogene Linie) des LN-19 bei VDS = 2 V mit den gemessenen Werten (geschlossene Kreise).