Simulation of Si-Ge Heterojunction Bipolar Transistors

Nowadays Heterojunction Bipolar Transistors (HBTs) attract much industrial interest. In particular, Silicon-Germanium (SiGe) HBTs exhibit promising properties stretching the intrinsic advantages of the established CMOS technology into high-frequency electronics. SiGe HBTs increasingly challenge the III-V (GaAs, InP, etc.)  devices in the highest frequency ranges. The devices employ strained SiGe layers to achieve better performance.  SiGe devices have seen a major development to industrial maturity in the recent five years, further extending the applicability of the Silicon technology towards higher frequencies. Major contributions come from Hitachi (Japan), IBM (USA), Infineon (Germany). The Austrian company austriamicrosystems AG has also attained a good position with these devices.
In this project new models for the material properties of SiGe have been developed. This includes models for effective carrier masses, density of states, carrier mobility, and bandgap energies for strained and relaxed SiGe, and their application to the simulation of SiGe HBTs.  The thermal material properties have been modeled to allow for electro-thermal simulation. Attention has been paid to the high-field/high-energy transport especially at the heterointerfaces.
The developed models for SiGe were implemented in the two-dimensional device simulator MINIMOS-NT. The emphasis has been put on the simulation application of SiGe HBTs to industrial requirements.  Physics-based DC- and AC- simulations were carried out for SiGe HBT structures provided by Austriamicrosystems AG.
Model verification through a comparison between simulated and measured forward and reverse Gummel plots of several SiGe HBTs with different Ge content at several ambient temperatures was performed.  Simulation of the output characteristics including self-heating effects and impact ionization is cross-checked against measured data.  The successful match between measured and simulated S-parameters gives the possibility to go for large-signal modeling. Optimization of the doping for specific requirements (high speed or high breakdown voltage) was performed.  In frame of the project a complete set of models which is needed to investigate industrial technologies by means of Technology Computer-Aided Design (TCAD), was developed

Heterostruktur-Bipolar-Transistoren (HBTs) sind zur Zeit für die Industrie von großem Interesse. Im Besonderen besitzen Silizium-Germanium (SiGe) HBTs sehr attraktive Eigenschaften, welche es erlauben die der etablierten CMOS Technologie inhärenten Vorteile für die Hochfrequenzelektronik zu nutzen. Mehr und mehr werden SiGe HBTs in den höchsten Frequenzbereichen zu einer echten Herausforderung für Bauelemente, die auf III-V (GaAs, InP, etc.)  Halbleitermaterialien basieren. SiGe Bauelemente benutzen verspannte SiGe Schichten, um bessere Eigenschaften zu erreichen. Diese Bauelemente haben in den letzen fünf Jahren große Schritte in Richtung Industriereife gemacht und die Leistungsfähigkeit der Siliziumtechnologie für immer höhere Frequenzen erweitert. Wichtige Beiträge für diese Technologie kommen von Hitachi (Japan), IBM (USA), und Infineon (Deutschland). Auch die österreichische Firma austriamicrosystems AG hat eine gute Position mit diesen Baulementen erreicht.
Im Rahmen des vorliegenden Projektes wurden neue Modelle für die Materialeigenschaften von SiGe entwickelt. Darunter sind Modelle für die effektiven Massen, die effektive Zustandsdichten, die Beweglichkeiten, die Bandkantenenergien für verspanntes und unverspanntes Silizium-Germanium (SiGe), und die Anwendung dieser Modelle für die numerische Simulation von SiGe HBTs.  Um eine elektro-thermische Simulation zu ermöglichen, wurden Modelle der thermischen Werkstoffeigenschaften entwickelt. Besondere Sorgfalt wurde für den Energietransport unter Hochfeldbedingungen an den Heteroübergängen aufgewandt.
Die entwickelten Modelle wurden in den zweidimensionalen Bauelement-Simulator MINIMOS-NT implementiert. Der Schwerpunkt lag auf der Anwendung der numerischen Simulation zur Erfüllung industrieller Bedürfnisse. Physikalisch basierte DC und AC Simulationen wurden für SiGe HBTs von Austriamicrosystems  durchgeführt.
Die Modelle wurden mittels Vergleich von bei verschiedenen Temperaturen simulierten und gemessenen Eingangskennlinien für verschiedene SiGe HBTs mit unterschiedlichem Germaniumgehalt verifiziert. Die Simulation der Ausgangskennlinien wurde unter Berücksichtigung der Selbsterwärmung und der Impaktionisierung anhand von Messergebnissen überprüft. Die bestehende Übereinstimmung zwischen gemessenen und simulierten S-Parametern gibt weiters die Möglichkeit zur Großsignalanalyse. Optimierungen der Verteilung der Dopanten im Bauelement wurden in Hinblick auf unterschiedliche Erfordernisse (Hochgeschwindigkeit oder Durchbruchfestigkeit) durchgeführt. Insgesamt wurde im Rahmen dieses Projektes ein vollständiger Satz von Modellen entwickelt, der die Anforderungen, welche die Erforschung industrieller Bauelemente mit einer computerunterstützten Entwicklungsumgebung stellt, erfüllt.