Verlag des Forschungszentrums Jülich
JUEL-4043
Tönnesmann, Andres
Untersuchung von pseudomorphen InGaAs/InAlAs/InP High Electron Mobility Transistoren im Hinblick auf kryogene Anwendungen
119 S., 2003
In einer Vielzahl von neuen Anwendungsbereichen der Datenkommunikation besteht der
Bedarf nach höheren Übertragungskapazitäten . Als Transistortyp mit den größten bisher
erreichten Grenzfrequenzen bietet sich der auf dem InGaAs/InAlAs/InP-Schichtsystem
basierende High Electron Mobility Transistor (HEMT) als verstärkendes Bauelement für
den Einsatz in Kommunikationssystemen an . Im Betrieb bei kryogenen Temperaturen, wie
etwa in Mischern oder Oszillatoren in Satelliten oder auch Basisstationen mit entsprechender
Kühltechnik, ist beim HEMT auf Grund der verminderten Streuung der Ladungsträger
an Phononen noch eine Verbesserung der Rausch- und Hochfrequenzeigenschaften zu
erwarten. Als größte technologische Herausforderungen für das Erreichen höchster Grenzfrequenzen
in allen Temperaturbereichen sind die Verringerung der Zuleitungswiderstände
sowie die Realisierung sehr kurzer Gatelängen Gegenstand dieser Arbeit. Zudem stellen
Reproduzierbarkeit und Robustheit der hier untersuchten Gatetechnologien wesentliche
Kriterien bei der Anwendung dar. InAlAs/InGaAs-HEMTs zeigen im Vergleich zu anderen
Transistorkonzepten in stärkerem Maße unerwünschte, teils materialbedingte Kurzkanaleffekte
wie einen frühen Durchbruch, hohe Gateströme, Stoßionisation, Kink-Effekt
und Verschiebung der Einsatzspannung. Messungen an den im Rahmen dieser Arbeit hergestellten
Transistoren bei Stickstofftemperatur vermitteln zusätzliche Einsichten in die
Zusammenhänge dieser noch nicht vollständig verstandenen Effekte. Transitfrequenz bzw.
maximale Schwingfrequenz von Kurzkanaltransistoren steigen von 180 GHz bzw. 300 GHz
bei Raumtemperatur um etwa 20 % bzw. 30 % bei der Temperatur des flüssigen Stickstoffs
bei konstant hohen Durchbruchspannungen von über 8 V.
A wide variety of new data communication applications demand ever-increasing transmission
capacities . The InGaAs/InAlAs/InP layer stack based High Electron Mobility
Transistor (HEMT) is currently regarded as the most promising active device in communication
systems as it has the highest cut-off frequencies of all transistor types . Due to
reduced phonon scattering of the charge carriers, the HEMT is expected to exhibit even
better noise and high frequency characteristics for operations at cryogenic temperatures,
for instance in mixers or oscillators located in satellites or ground based systems with appropriate
cooling equipment . This work focuses an the reduction of access resistances and
the fabrication of very short gate lengths as the biggest technological challenges realizing
highest cut-off frequencies at any temperature. In addition, the reproducibility and robustness
of the implemented gate technologies are fundamental criteria for applications. In
comparison to other transistor designs, the InAlAs/InGaAs HEMTs are stronger affected
by undesirable, partly material dependent, short channel effects like early breakdown,
high gate currents, impact ionization, the kink effect, and a shift in the threshold voltage.
Measurements at liquid nitrogen temperature an transistors produced in this work provide
further insight into the poorly understood interrelationship between these effects . At liquid
nitrogen temperature, the cut-off frequency of 180 GHz and the maximum oscillation frequency
of 300 GHz of short channel transistors at room temperature increase by 20 % and
30 %, respectively, while the breakdown voltage remains at high values above 8 V.
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