HELENA eignet sich sehr gut dazu, den Einfluß verschiedener Parameter auf die elektrischen Eigenschaften eines Bauelements zu studieren. Im Gegensatz zu SPS können bei HELENA auch laterale Parameter - wie z.B. die Gatelänge - variiert werden und es stehen eine Reihe von Simulationsergebnissen zur Verfügung, um den Einfluß der variierten Parameter zu untersuchen. Für die folgende Sensitivitätsanalyse wurde ein InyGa1-yAs/AlxGa1-xAs/GaAs DH-HFET analog zu Abbildung 2.4 mit folgenden Strukturparametern gewählt: Gateweite WG = 180 mm, Gatelänge LG = 230 nm, symmetrischer Recess mit Recesslängen von LRS = LRD = 135 nm, Capdicke dCap = 60 nm, Supplydicke dS =40 nm (Gate-Kanal Abstand d = 34 nm), Supplydotierung ND = 1.51018 cm-3, Spacerdicke dSp = 2 nm, InyGa1-yAs-Kanaldicke dCh = 12 nm und Bufferdicke dB = 1 mm.
Abbildung 5.13: Transfercharakteristik (VDS = 2 V) mit effektivem Gate-Kanal Abstand als Parameter, sowie Thresholdspannung und maximale Steilheit als Funktion des Gate-Kanal Abstands bzw. der aspect ratio.
Wie bei der SPS-Simulation wurde auch hier der Gate-Kanal Abstand über die Variation der Supplydicke unter dem Gate verändert. Analog zur Simulation der Ladungsträgerdichte des Q2DEG mit SPS ist auch im simulierten Drainstrom eine Verschiebung der Transferkennlinie mit dem Gate-Kanal Abstand zu beobachten. Mit dieser Verschiebung ändert sich die Thresholdspannung.
Die Thresholdspannung zeigt eine nahezu lineare Abhängigkeit vom Gate-Kanal Abstand bzw. der Supplydicke unter dem Gate. Auch die Steilheit und die Transitfrequenz werden durch den Gate-Kanal Abstand beeinflußt. Der maximale Wert der Steilheit zeigt, ebenso wie die Thresholdspannung, eine annähernd lineare Abhängigkeit vom Gate-Kanal Abstand (Abb. 5.13). Beide Größen steigen mit fallender Supplydicke bzw. wachsender aspect ratio an. Allerdings ist der Bereich der aspect ratio (a = LG / d), der über die Variation der Supplydicke analysiert werden kann, nur sehr klein. Obwohl die Transitfrequenz im wesentlichen von der Steilheit bestimmt wird und auch eine ähnliche Verschiebung zeigt, bleibt ihr Maximalwert nahezu konstant (Abb. 5.14).
Mit der Variation der Gatelänge ändert sich die aspect ratio stärker, als bei der Variation des Gate-Kanal Abstands. Damit lassen sich zuverlässigere Aussagen über die Abhängigkeit der Größen von der aspect ratio machen, als durch Variation des Gate-Kanal Abstands. Wird die Gatelänge verringert, so kommt es im Gegensatz zur Verringerung des Gate-Kanal Abstands nicht zu einer Verschiebung der Kennlinien. Die Threshold-Spannung bleibt nahezu konstant. Jedoch steigt der Drainstrom bei kleiner werdender Gatelänge an. Dasselbe gilt auch für die Steilheit. Der Drainstrom bei VDS = 2 V und VGS = 0 V (IDSS) zeigt bei Gatelängen über 150 nm (aspect ratio > 5) eine lineare Abhängigkeit (Abb. 5.15). Während er in diesem Bereich mit kürzerer Gatelänge nur verhältnismäßig langsam ansteigt, steigt er bei Gatelängen unter 150 nm stärker an. Dies gilt auch für den Maximalwert der Steilheit. Die Ursache liegt in dem immer kleiner werdenden Bereich, in dem das Gatepotential über das elektrische Feld das Ladungskontrollverhalten steuert. Geht die Gatelänge gegen Null (Transistor ohne Gate), so wird der Drainstrom nur noch durch die Drainspannung gesteuert.
Abbildung 5.14: Steilheit und Transitfrequenz bei VDS = 2 V. Parameter ist der Gate-Kanal Abstand.
Abbildung 5.15: Transfercharakteristik (VDS = 2 V) mit Gatelänge als Parameter, sowie IDSS und maximale Steilheit als Funktion der Gatelänge, bzw. der aspect ratio.
Dieser Zusammenhang zeigt deutlich, daß die Verkürzung der Gatelänge nicht nur zu einer effektiven Erhöhung des Drainstroms führt, sondern auch die Steilheit sehr stark erhöht. Dies kann mit dem Gate-Kanal Abstand nur in weit geringerem Maße erreicht werden. Außerdem führt die Verringerung des Gate-Kanal Abstands nicht zu einer effektiven Drainstromerhöhung, sondern nur zu einer Verschiebung der Charakteristik. Auch die Transitfrequenz wird analog zur Steilheit mit kleiner werdender Gatelänge erhöht (Abb. 5.16). Die Maxima der Steilheit und der Transitfrequenz bleiben bei der Variation der Gatelänge bezogen auf die Gatespannung stationär. Insgesamt bietet sich mit der Gatelänge ein effektiver Parameter, mit dem sich die Performance des Transistors sehr verbessern läßt [40].
Die Variation der Recesslängen LRS und LRD zeigen einen ähnlichen Einfluß, wie die Variation der Gatelänge (hier: LRS = LRD). Drainstrom, Steilheit und Transitfrequenz bleiben bis ca. LRS = LRD = 200 nm nahezu konstant. Dieser Wert hängt direkt mit der Gatelänge zusammen. Ebenso hängt auch der Grenzwert der Gatelänge, der den linearen vom nichtlinearen Abhängigkeitsbereich der Größen trennt, direkt mit der Recesslänge zusammen. Bei noch kleineren Recesslängen steigen die betrachteten Größen sehr stark an. Allerdings ist der Effekt nicht so ausgeprägt, wie bei der Gatelänge. Obwohl die Recesslänge bei Verkürzung die Bauelementeigenschaften positiv beeinflußt, eignet sie sich nicht als Parameter für eine gezielte Verbesserung des Bauelements. Bei Verringerung der Recesslänge steigt das elektrische Feld zwischen Gate und Drain und in geringerem Maß auch zwischen Gate und Source sehr stark an. Damit kommt es zu einem Anstieg bzw. zu einem früheren Einsetzen der Stoßionisation. Damit jedoch verringert sich die Durchbruchspannung, was effektiv einer Verschlechterung des Bauelements entspricht. Gerade für Leistungstransistoren wird daher die Recesslänge zwischen Gate und Drain bewußt sehr ausgedehnt, um das Einsetzen der Stoßionisation zu verzögern und damit die Durchbruchspannung zu erhöhen. Daß damit ein Verlust an Steilheit und in der Transitfrequenz verbunden ist, muß in Kauf genommen werden und wird durch andere Maßnahmen, wie z.B. der Verkürzung der Gatelänge, wieder ausgeglichen.
Abbildung 5.16: Steilheit und Transitfrequenz bei VDS = 2 V mit der Gatelänge als Parameter.
Die Capdicke beeinflußt die Bauelementeigenschaften über weite Bereiche nicht. Lediglich bei sehr kleinen Schichtdicken (dCap < 20 nm) kann diese Schicht im Betrieb "ausgeräumt", d.h. von freien Ladungsträgern befreit werden. Dies führt zu einer Erhöhung des Kontaktwiderstandes und damit insgesamt zu einer Verschlechterung der Performance. Da sich dieser Effekt innerhalb weniger nm Schichtdicke auswirken kann, ist es ratsam, die Dicke der Capschicht größer als ca. 50 nm zu wählen.