4.2 Substrateinflüsse im GaAs MESFET



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4.2 Substrateinflüsse im GaAs MESFET

 

Die Wirkungsweise eines MESFET hängt wesentlich von der Steuerbarkeit der Dicke des leitenden Kanals durch die Gateelektrode ab. Daher kommt der Begrenzung des Kanals zum Substrat hin entscheidende Bedeutung zu. Dieses Substrat ist fast ausnahmslos semi-isolierendes GaAs, dessen elektrische Eigenschaften durch die darin enthaltenen tiefen und flachen Störstellen bestimmt werden. Durch diese Störstellen werden die Eigenschaften des Übergangs von der aktiven Schicht zum Substrat hin, und damit die Charakteristik des MESFETstark beeinflußt. Der Einfluß verschiedener Substrate soll nun durch die Simulation gezeigt werden. Die am meisten verwendeten Substrate werden nach dem LEC-Verfahren (`liquid encapsulated Czochralski' [80]) hergestellt. Diese Substrate enthalten meist eine bedeutende Konzentration von EL2 Störstellen und Kohlenstoffverunreinigungen (vgl. Kap. 3.3.1). Die Konzentration der EL2 Störstellen bewegt sich dabei im Bereich von , die Konzentration der Verunreinigungen beträgt normalerweise .

  
Abbildung 4.1: Struktur des simulierten MESFET

Für die Simulation wurde eine einfache, aber realistische MESFET Struktur gewählt (Abb. 4.1). Sie besteht aus einer mit konstant n-dotierten Schicht auf unterschiedlichen Substraten. Die Dicke der aktiven Schicht beträgt , das Substrat wird bis zu einer Tiefe von in die Rechnung miteinbezogen. Die Gatelänge beträgt . Dieser Transistor ist für realistische Substrate ein `normally on' Typ. Um den Einfluß der Konzentration der EL2 Störstellen und der Verunreinigungen mit flachen Akzeptoren auf die Kennfelder des Bauelements zu zeigen, wurden der MESFET mit fünf verschiedenen Substraten simuliert. Die Merkmale der Substrate sind in Tab. 4.2 zusammengefaßt. Die Lage des EL2 Energieniveaus im verbotenen Band wurde unterhalb der Leitungsbandkante angenommen, die Einfangquerschnitte für Elektronen und Löcher betragen
und [3].

  
Tabelle 4.2: Zusammenstellung der simulierten Substrattypen

Das intrinsische, d.h. vollkommen rein angenommene, und das vollständig isolierende Substrat wurden als nicht realistische Extremfälle zum Vergleich berechnet. Ebenso ist die Annahme eines reinen p-Substrates mit einer Konzentration von nur nicht ganz realistisch. Abb. 4.2 zeigt nun Ausgangskennlinien der sechs verschiedenen Fälle (bezeichnet nach Tab. 4.2). Man erkennt, daß sich die verschiedenen Bauelemente hauptsächlich in ihrem Abschnürverhalten und in ihrem Ausgangsleitwert im Sättigungsbereich unterscheiden. Erwartungsgemäß schneidet das intrinsische Substrat (A) am schlechtesten ab, d.h dieses Bauelement hat den höchsten Ausgangsleitwert und auch den höchsten Drainstrom bei stark negativer Gatespannung, da durch das Substrat keine Potentialbarriere gebildet wird, die das Eindringen der Elektronen ins Substrat verhindern würde.

  
Abbildung: Ausgangskennlinien für die sechs verschiedenen Substrate: Die Gatespannung wurde in Stufen variiert, für die oberste Kennlinie gilt

Genaueren Aufschluß über das Abschnürverhalten in den verschiedenen Fällen liefern die Transferkennlinien. Abb. 4.3 zeigt diese für und . Bei beiden Drainspannungen zeigt sich qualitativ das gleiche Verhalten. Das Substrat, das nur flache Akzeptoren (C) enthält, bewirkt im Vergleich mit dem intrinsischen Substrat (A) ein deutlich besseres Abschnürverhalten. Berücksichtigt man allerdings hier eine realistische EL2 Konzentration von (D), so verschlechtert sich das Abschnürverhalten wieder. Eine Verringerung der EL2 Konzentration auf (F) bewirkt praktisch keine Veränderung. Alle bisher betrachteten Substrate zeigen ein schlechteres Abschnürverhalten als das vollkommen isolierende Substrat (B). Erhöht man die Konzentration der flachen Akzeptoren auf (E), so erhält man trotz Berücksichtigung einer EL2 Konzentration von ein besseres Abschnürverhalten als mit dem isolierenden Substrat. Daraus läßt sich erkennen, daß die Konzentration der Akzeptoren im Substrat den größten Einfluß auf das Abschnürverhalten hat.

  
Abbildung: Transferlinien für die sechs verschiedenen Substrate: (oben) und (unten)

Um den Einfluß der verschiedenen Substrate zu veranschaulichen, betrachten wir die Potentialverteilung, die Elektronenkonzentration und die Stromdichteverteilung bei einem Arbeitspunkt im Abschnürbereich und . Als Orientierungshilfe in den Darstellungen sollen die in Abb. 4.1 eingezeichneten Koordinaten dienen. In Abb. 4.4 ist anhand von Querschnitten durch die Potentialverteilung die Potentialbarriere von der aktiven Schicht zum Substrat hin dargestellt. Die Numerierung der Querschnitte bezieht sich auf die Koordinaten quer zum Kanal. Der Querschnitt 5 zeigt den Potentialverlauf genau in der Mitte des Gatekontakts. Man kann deutlich erkennen, daß im Falle des intrinsischen Substrates (A) die Potentialbarriere nur etwa beträgt, während im Falle einer hohen Akzeptorkonzentration (E) die Barriere fast sechmal so groß ist. Der Potentialverlauf in den Substraten C und D liegt in Übereinstimmung mit den Transferkennlinien zwischen den beiden Extremfällen.

Die Abbildungen 4.5 und 4.6 zeigen die Elektronenkonzentration und den Elektronenstromverlauf für die Substrate A, C, D und E. Substrat A ist aufgrund der geringen Potentialbarriere mit einer bemerkenswert hohen Konzentration von Elektronen pro überschwemmt, der Stromtransport findet bis weit ins Substrat hinein statt. Im Gegensatz dazu ist der Kanal des MESFET im Falle des Substrates E bis zu einer Elektronenkonzentration von ausgeräumt. Die Stromdichte ist hier um zwei Größenordnungen geringer, der Stromtransport wird auf einen schmalen Bereich im Substrat (ca. ) beschränkt. Vergleicht man Substrat C und D so kann man den Einfluß der tiefen Störstellen im Substrat D erkennen. EL2 Störstellen wirken als Elektronenfallen, d.h. sie sind neutral, wenn sie besetzt sind und tragen zur positiven Raumladung bei, wenn sie unbesetzt sind. Die unbesetzten Störstellen verringern die negative Raumladung im Substrat. Dadurch können die Elektronen so weit ins Substrat eindringen bis sich ein Gleichgewicht einstellt. In Abb. 4.5 ist die deutlich höhere Elektronenkonzentration im Substrat D zu sehen. Der Strompfad reicht hier fast weit ins Substrat (Abb. 4.6).

In integrierten Schaltungen wird einerseits eine gute Isolation zwischen den einzelnen Transistoren gefordert, andererseits sollen die Transistoren eine möglichts gute Transfercharakteristik aufweisen. Eine gute Isolation erfordert eine möglichst geringe Leitfähigkeit des Substratmaterials, eine gute Transfercharakteristik erfordert eine höhere Konzentration von Akzeptoren im Substrat. Beide Forderungen lassen sich mithilfe kompensierter semi-isolierender Substrate erfüllen. Eine genaue Vorhersage der MESFET Charakteristiken durch die Simulation ist also nur bei Kenntnis und Berücksichtigung der tiefen Störstellen im Substrat möglich.

  
Abbildung 4.4: Querschnitte durch die Potentialverteilung , : Dargestellt sind die Substrate A (links oben), C (rechts oben), D (links unten) und E (rechts unten); Querschnitte von (1) bis (7) in Abständen

  
Abbildung 4.5: Elektronenkonzentration in den Substraten A (links oben), C (rechts oben), D (links unten) und E (rechts unten)

  
Abbildung 4.6: Elektronenstromdichte in den Substraten A (links oben), C (rechts oben), D (links unten) und E (rechts unten)



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Martin Stiftinger
Fri Oct 14 19:00:51 MET 1994