Kurzfassung

HIGH Electron Mobility Transistors (HEMTs) haben sich für Anwendungen, welche gutes Hochfrequenzverhalten sowie hohe Ausgangsleistung erfordern, z.B. mobile Kommunikation und Radartechnik, bereits etabliert. Diskrete Bauelemente sowie Monolithic Microwave Integrated Circuits (MMICs) von mehreren Herstellern sind verfügbar. Aufkommende technologische Neuentwicklungen, wie z.B. Breitband-Kommunikation und Hybrid-Fahrzeuge, erfordern aber weitere, gezielte Optimierung der Strukturen. Anderseits sind normally-off Transistoren, welche in mehreren digitalen sowie auch analogen Anwendungsfeldern vorteilhaft sind, immer noch von bestimmten Problemen geplagt. Um diese zu lösen und eine kostengünstige Optimierung zu ermöglichen, sind Bauelementensimulationen von entscheidender Bedeutung.

In der vorliegenden Dissertation werden die in HEMTs verwendeten III-V Halbleiter diskutiert. Eigene Monte Carlo-Simulationen werden durch eine umfassende Studie von vorhandenen experimentellen und theoretischen Werken ergänzt. Unter Berücksichtigung neuester Forschungsergebnisse über die Bandstruktur der Materialien und aller wichtigen Streuungs-Mechanismen werden Elektronen-Transporteigenschaften errechnet, welche für GaN und AlN in guter Übereinstimmung mit den vorhandenen Ergebnissen sind. Aufgrund der kleinen Bandlücke für InN, deuten die Simulationen auf ein besseres Transportverhalten als bisher angenommen.

Auf der Basis eigener Simulationsergebnisse sowie auch zusammengefasster experimenteller und theoretischer Daten, werden neue Transportmodelle, maßgeschneidert für III-V Materialien, entwickelt und anschließend in den generischen Bauelementsimulator MINIMOS-NT implementiert. Bestehende Modelle für die Gittereigenschaften und das Temperaturverhalten, sowie auch Modelle für wichtige Effekte, werden unter Berücksichtigung der HEMT-Besonderheiten und Materialeigenschaften diskutiert.

Eine Reihe HEMT Bauelemente aus verschiedenen Generationen wird modelliert. Dabei werden die beschriebenen Modelle und Materialparametersätze benutzt. Sehr gute Übereinstimmung mit experientellen Messdaten und bemerkenswerte prädiktive Simulationsergebnisse ermöglichen eine Optimierungsstudie der Gate-Elektrodengeometrie. Ferner werden die Transistoreigenschaften bei höheren Temperaturen und kürzeren Gate-Längen untersucht. Transkonduktanzanalysen in Bezug auf die benutzten Transportmodelle werden durchgeführt. InAlN/GaN Transistoren werden simuliert und das HF-Verhalten für erhöhte Materialqualität wird erörtert. Als Abschluß werden zwei unterschiedliche Ansätze zum Erzielen des normally-off Verhaltens geprüft: Die Gate-Recess-Technik und das Band-Structure-Engineering mittels einer InGaN Schicht. Das HF-Verhalten wird verglichen und analysiert.