Charakterisierung und Modellierung von metamorphen HEMT Strukturen im Millimeter- und Submillimeter-Wellenlängenbereich

Die stetig steigende mobile Datenkommunikation wird in unserer sich ständig weiterentwickelnden und technologischen Welt immer bedeutender. Um diesen Anstieg ermöglichen zu können ist es erforderlich immer größere absolute Bandbreiten zur Verfügung zu stellen. Eine Möglichkeit größere absolute Bandbreiten innerhalb von Übertragungssystemen zu nutzen, ergibt sich durch eine Anhebung der Trägerfrequenz auf 30 GHz und mehr. Dies entspricht Systemen im Millimeter- (30 GHz < f <300 GHz) und Submillimeter-Wellenlängenbereich (f > 300 GHz). Eine Schlüsselkomponente bei der Entwicklung von Milli-meter- und Submillimeter-Systemen sind analoge monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen (englisch: Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC)) auf Basis einer rauscharmen und schnellen Transistortechnologie. Eine Halbleitertechnologie, die diese Anforderungen erfüllt ist die metamorphe High Electron Mobility Transistor (mHEMT) Technologie des Fraunhofer Insti-tutes für angewandteFestkörperphysik (IAF) mit Transitfrequenzen fT bis zu 700 GHz und maximalen Oszillationsfrequenzen fmax bis zu 1.2 THz. Essentiell für den erfolgreichen Schaltungsentwurf sind präzise Modellbeschreibungen der aktiven und passiven Bauelemente. Die große Herausforderung liegt hierbei darin, dass die eigentliche Bauteilskalierung, welche mit Ab-nahme der Signalwellenlänge stattfindet, technologische und physikalische Grenzen aufweist. Dieses Skalierungslimit hat zur Folge, dass die zu beschreibenden Bauteile nicht mehr klein gegenüber der Wellenlänge des Signals sind (l(Struktur) / < 10), was zu verteilten Effekten innerhalb der aktiven und passiven Strukturen führt und auch die Ausbreitung von höheren Feld-typen begünstigt. Beide Auswirkungen der limitierten Bauteilskalierung können durch klassische kompakte Modellansätze nur bedingt beschrieben werden. Neben der unzureichenden Modellbeschreibung, stellt auch die präzise und breitbandige On-Wafer Bauteilcharakterisierung über mehrereFrequenzbänder hinweg von 50 MHz bis 500 GHz ein großes Problem dar. Auf Grund des Einflusses von systematischen Fehlern war es bisher nicht möglich bandübergreifenden On-Wafer Messungen fehlerfrei und konsistent durchzuführen. Für das Gesamtziel dieser Arbeit ergeben sich somit zwei Bereich: Erstens die breit-bandige Charakterisierung der aktiven und passiven Bauelemente und zweitens deren präzise Beschreibung durch geeignete verteilte Modellansätze. Um diese Ziele zu erreichen werden im Rahmen dieser Arbeit neue On-Wafer Kalibrationsmethoden und -strukturen untersucht. Diese ermöglichen erstmalig die exakte und konsistente On-Wafer Bauteilcharakterisierung über mehrere Frequenzbänder hinweg. Auf Basis dieser On-Wafer Charakterisierungsmessungen ist es im Rahmen dieser Arbeit erstmals gelungen, eine Modellextraktion und -verifikation an Hand von hoch präzisen Daten bis hin zu Frequenzen von 500 GHz zu zeigen.

The use of wireless data communication continuously increases and is getting more and more important in our changing and technology related world. Therefore large absolute bandwidth must be provided to enable this increase. One possibility to allo-cate a large absolute bandwidth within wireless communication systems is raising the carrier frequency to far above 30 GHz. This leads to systems working at millimeter (30 GHz < f < 300 GHz) and submillimeter (f > 300 GHz) wavelength. A key compo-nent during the development of millimeter wave and submillimeter wave systems are analog monolithic microwave integrated circuits (MMIC) on the basis of a low noise and fast transistor technology. A semiconductor technology that fulfills the given re-quirements is the metamorphic high electron mobility transistor technology (mHEMT) from the Fraunhofer Institute for Applied Solid State Physics (IAF), which shows transit frequencies up to 700 GHz and maximum oscillation frequencies up to 1.2THz. To enable components with such high operating frequencies the dimensions of the components have to be decreased. But with increasing frequency and thereby decreasing wavelength the resulting dimensions reach physical and technological li-mits. The scaling limitation implies that the components to be described are no longer small compared to the wavelength of the signal (lStruktur / < 10). As a result of this, distributed effects along the active and passive structures can be observed and higher order modes can get excited. Both effects cannot be accurately described by using classical compact models. But for a successful circuit design it is essential to rely on accurate model descriptions of the active and passive components. Besides the insufficient model descriptions, the precise and broadband on-wafer component characterization over multiple frequency bands from 50 MHz to 500 GHz presents a major problem. Due to the influences of systematic errors, a consistent anderror-less on-wafer characterization over multiple frequency bands has not been possible to date. Therefore, the overall intent of this work accounts for two areas of interest: Firstly the broadband characterization of the active and passive components over mul-tiple frequency bands and, secondly, the accurate description of their behavior by distributed models. This work investigates new on-wafer calibration methods and structures to reach these goals. For the first time, consistent and precise on-wafer measurements over multiple frequency bands are provided. On the basis of the new on-wafer characterization methods the thesis succeeds for the first time in extracting and verifying a model by highly accurate S-Parameter measurement data up to a frequency of 500 GHz.