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InP-Kurzkanal-Heterostruktur-Feldeffekttransistoren mit elektronenstrahldefinierten Gate-Kontakten - InP-based heterojunction fieldeffect transistors with electron beam defined gates

by Daumann, Walter

Abstract (Summary)
Die vorliegende Arbeit behandelt schwerpunktmäßig die Technologie und Charakterisierung von Single- und Dual-Gate- InAlAs/InGaAs/InP Heterostruktur-Feldeffekt-Transistoren für Gate-Längen im unteren Submikron Bereich (90 nm < LG < 400 nm). Auf der Basis bereits ausreichend erprobter Transistorschichten ist die vorliegende Arbeit als wissenschaftlicher Beitrag zu verstehen, der die Optimierung der o.g. Bauelemente nahezu ausschließlich mit Methoden der Strukturierungstechnik verfolgt. Die Charakterisierung der hergestellten HFET umfaßte sowohl das Gleich- als auch das Wechselspannungsverhalten. Die Hochfrequenzcharakterisierung basierte dabei auf der Kleinsignalparameteranalyse einschließlich der Kleinsignalersatzschaltbildbestimmung im Frequenzbereich 45 MHz < f < 40 GHz. Für die Herstellung der Bauelemente und hierbei insbesondere für die der Gate-Kontakte (sogenannte T-Gate oder Mushroom-Gate-Kontakte) wurde die Elektronenstrahllithographie als zentrales Strukturierungswerkzeug eingesetzt. Dabei sind eine im Fachgebiet neu beschaffte Belichtungsanlage erstmals in Betrieb genommen, und sämtliche dazu notwendigen Lithographieprozesse entwickelt worden. Als herausragendes Resultat dieses Teils der Arbeit konnte dabei ein völlig neuartiges Belichtungsverfahren erfolgreich vorgestellt werden. Auf der Basis detaillierter Untersuchungen zur Abhängigkeit der Proximity-Funktion Pf(r) von der Elektronen-Beschleunigungsspannung Uacc im Fotoresist gelang die Entwicklung eines Lithographieprozesses für Mushroom-Gate-Kontakte bei extrem niedrigen Werten von Uacc = 10 kV. Durch die gleichzeitige Optimierung des Fotoresist-Systems konnte darüber hinaus die in der Literatur für Mushroom-Gate-Kontakte bekannte aufwendige Mehrfachbelichtung erstmals erfolgreich auf einen einzelnen Belichtungsschritt zurückgeführt werden. Die Funktionstüchtigkeit des neu entwickelten Verfahrens konnte anhand von realen Bauelementdaten demonstriert werden. Die mit Hilfe dieser Technik hergestellten Single-Gate HFET (LG = 0.2 µm) zeigten Grenzfrequenzen von fT = 126 GHz bzw. fmax = 204 GHz. Auch die in der Literatur bekannten Mehrfachbelichtungsprozesse für T-Gate-Kontakte wurden im Rahmen dieser Arbeit optimiert. Auf der Basis einer HFET-Schicht mit sehr guten Transportdaten gelang dabei durch die Einführung eines Doppelbelichtungsprozesses die Herstellung von 0.2 µm-Single-Gate HFET mit Grenzfrequenzen von fT = 181 GHz und fmax = 224 GHz. In bezug auf die Transitfrequenz zählt der erzielte Wert bis zum Zeitpunkt dieser Arbeit zu den Weltbestdaten. Ein weiterer Schwerpunkt dieser Arbeit bildete die Herstellung und Charakterisierung von Dual-Gate HFET in bezug auf die Stoßionisation, deren Auftreten infolge der Steuer-spannungen für InAlAs/InGaAs/InP-HFET typisch ist. Eine ausführliche Analyse sowohl des Gleich- als auch Wechselspannungsverhaltens von Dual-Gate HFET-Kaskoden lieferte erstmals Kenntnisse darüber, die Stoßionisation im Bauelementkanal lokal mit Hilfe des zweiten Gate-Kontaktes gezielt zu beeinflussen. Hierbei konnte richtungsweisend ein neuer Transistortyp entwickelt werden, der für UG2S = 0 V erstmals eine lokale Unterdrückung der Stoßionisation im Kanalbereich unterhalb des mit dem hochfrequenten Signals beaufschlagten ersten Gate-Kontaktes ermöglichte. In einem ansonsten für Single-Gate HFET in bezug auf die Stoßionsation kritischen Arbeitspunkt (UG1S = - 0.5 V, UDS = 3 V) konnten so beim Dual-Gate HFET sehr gute Bauelementdaten erzielten werden (fT = 112 GHz, fmax = 253 GHz, Fmin = 1.01 dB @ 12 GHz, Rn = 40.5 W). Schließlich konnte die Funktionstüchtigkeit der für die Herstellung von Dual-Gate-HFET entwickelten Prozesse insgesamt durch hervorragende Bauelementdaten belegt werden. Für 0.1 µm Dual-Gate HFET sind Weltbestdaten in bezug auf die Hochfrequenzeigenschaften erzielt worden (fT = 141 GHz bzw. fmax = 350 GHz).
Bibliographical Information:

Advisor:Prof. Dr. rer.nat. Franz-Josef Tegude

School:Universität Duisburg-Essen, Standort Essen

School Location:Germany

Source Type:Master's Thesis

Keywords:elektrotechnik gerhard mercator universitaet

ISBN:

Date of Publication:05/30/2001

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