Bearbeiter: H. Gajewski, R. Nürnberg
Kooperation: Gruppe Prozeßintegration des Instituts für
Halbleiterphysik Frankfurt/Oder;
Prof. Dr. D. Schipanski, Institut für Festkörperelektronik der
Technischen Universität Ilmenau;
Dr. J. Albers, Mikroelektronik--Zentrum/A der Ruhr--Universität
Bochum;
Halbleiterlabor des Max--Planck--Instituts für extraterrestrische
Physik, München;
Gruppe Simulationstechnik des Fraunhofer--Instituts für
Mikroelektronische Schaltungen und Systeme, Institutsteil Dresden;
Prof. Dr. W. Fichtner, Institut für Integrierte Systeme,
Eidgenössische Technische Hochschule Zürich;
Dr. H. Grahn, Paul--Drude--Institut für Festkörperelektronik,
Berlin;
Dr. H. Wenzel, Ferdinand--Braun--Institut für Höchstfrequenztechnik,
Berlin;
Prof. Dr. K. Runge, Fakultät für Physik,
Albert--Ludwigs--Universität Freiburg;
R. Kunz, Institut für Theoretische Physik, Technische Universität Berlin;
Dr. D. Reznik, Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik, Technische
Universität Berlin;
Dr. O. Krüger, Fachbereich Chemie der Humboldt--Universität zu
Berlin;
ab 15.1.1995 California Institute of Technology, Division of Chemistry
and Chemical Engineering
Beschreibung der Forschungsarbeit:
Das von der Gruppe entwickelte Programmsystem ToSCA zur numerischen Simulation von Ladungsvorgängen in Halbleitern auf der Basis des Drift--Diffusionsmodells wurde in enger Kooperation mit den genannten Partnern im Hinblick auf neue Halbleitermaterialien (Silicium/Germanium, Galliumarsenid) und neue physikalische Effekte weiterentwickelt:
Hochfrequenzanalyse
Im Rahmen des BMBF--Forschungsschwerpunktes ,,Nanoelektronik``, wird ein ,,high performance`` Silicium--Germanium--Heteropipolar (HBT) entwickelt. Für die dazu am IHP (Frankfurt/''Öder) durchgeführten Simulations-- und Optimierungsrechnungen mußten die ToSCA--Modelle und Algorithmen erweitert werden. Vor allem wurde zur Bestimmung der Transitfrequenz und der maximalen Frequenz von HBT's ein neuer Kleinsignal--Analyse--Algorithmus entwickelt, implementiert und erfolgreich eingesetzt. Eine Publikation [1] gemeinsam mit F. Herzel und B. Heinemann vom IHP wurde eingereicht.
Magnetfelder
Im Blick auf die Entwicklung von Magneto--Sensoren wurde der Einfluß eines äußeren Magnetfeldes auf den Ladungstransport in Halbleitern mathematisch analysiert (vgl. [2]), numerisch simuliert und am Institut für Integrierte Systeme der ETH Zürich erfolgreich eingesetzt.
Photoluminizenz
Zur Modellierung und systematischen Untersuchung der zeitaufgelösten Band-Band-Photoluminizenz an Halbleiter/''Ëlektrolyt--Kontakten (vgl. [3]) wurden neue Ladungsgenerations- und Rekombinationsmechanismen realisiert. Für die entsprechende ToSCA-Erweiterung liegt ein Lizenzantrag von Prof. Dr. N.S. Lewis des California Institute of Technology, Division of Chemistry and Chemical Engineering vor.
Tiefe Störstellen
Eine Erweiterung des Modellumfangs im Simulationsprogramm ToSCA betrifft die Einbeziehung tiefer Störstellen und ihrer Besetzungskinetik. In den Grundgleichungen des Ladungsträgertransports in Halbleitern treten dabei auf der rechten Seite der Poissongleichung neben der festen Dotierung und den beweglichen Elektronen und Löchern zusätzlich örtlich fixierte aber zeitabhängige Ladungen auf. Analog zum üblichen Generations--Rekombinations--Mechanismus wird das Einfangen und Freigeben der Ladungsträger an den Trapniveaus durch Ratengleichungen beschrieben
mit den Raten 
und 
, wobei 
und 
sind.
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Theoretische Physik der Technischen Universität Berlin wurden Ratenfunktionen für Proben aus p - Ge und n - GaAS implementiert, die zwei Trapniveaus berücksichtigen. Das Ziel war die Simulation von Bereichen mit negativer differentieller Leitfähigkeit (NDC) in homogen dotierten Halbleitern bei tiefen Temperaturen.
Diese Zonen entstehen durch Störstellenstoßionisation, einem autokatalytischen Prozeß, der mit dem angelegten elektrischen Feld ab einer bestimmten Durchbruchfeldstärke stark ansteigt. Da der NDC--Zustand nicht stabil ist, stellt sich entweder ein hoch-- oder ein niedrigleitender Zustand ein. Es kann sich deshalb eine räumlich inhomogene Stromdichteverteilung längs zum Stromfluß ausbilden. Mit ToSCA konnten
Elektronen--Löcher--Streuung
In Zusammenarbeit mit dem Institut für Werkstoffe der Elektrotechnik der Technischen Universität Berlin wurde in ToSCA ein Beweglichkeitsmodell aufgenommen, das die Elektronen-Löcher-Streuung berücksichtigt. Die bisherigen Modelle enthielten die Abhängigkeit der Ladungsträgerbeweglichkeit von der Dotierung, der Ladungsträgerkonzentration und vom elektrischen Feld, aber nicht die wechselseitige Beeinflussung von Elektronen- und Löcherstrom.
Für die direkte Kopplung von Elektronen-- und Löcherstrom wurde das Electron--Hole Scattering Model (EHS) nach Kane und Swanson realisiert, das auf folgenden Stromausdrücken basiert
Dabei sind 
die Quasi--Fermi--Potentiale und 
die Leitfähigkeiten. Die ,,Kreuzleitfähigkeiten`` genügen der
Symmetriebeziehung
Im einzelnen wurde für die Leitfähigkeiten folgender Ansatz implementiert:
wobei K und B Polynome in n + p sind.
ToSCA--Simulationen wurden an einer pin--Diode überprüft. Der beschriebene Effekt spielt bei Bipolar--Leistungsbauelementen eine Rolle und kann dort nicht vernachlässigt werden. Die Abbildungen zeigen an einem Beispiel die Auswirkung der Elektronen--Löcher--Streuung auf die Strom--Spannungs--Kennlinie.
Projektliteratur: