Feldeffekt-Transistor mit injektionsbegrenzendem Source-Kontakt

Zusammenfassung Die Möglichkeiten zur Erhöhung der Grenzfrequenz von Feldeffekttransistoren durch den Einsatz vorbeschleunigter Elektronen sollten untersucht werden. Während ein Betrieb der hergestellten Bauelemente als Verstärker nicht möglich war, gelang die Realisierung von 58 GHz-Oszillatoren mit niedriger Versorgungsspannung. Motivation In den wichtigsten Anwendungsbereichen der Mikrowellentechnik, nämlich der Nachrichtentechnik und der Mikrowellensensorik, geht der Trend aus Gründen der übertragbaren Datenmengen und erreichbaren Messgenauigkeit zum Einsatz immer höherer Frequenzen. Damit geht auch die Notwendigkeit einher, die oberen Grenzfrequenzen der verwendeten Bauelemente ständig zu steigern. Insbesondere trifft dies auch auf die zur Schwingungserzeugung und Verstärkung eingesetzten Transistoren zu. Projektziele Der übliche Weg die angesprochene Geschwindigkeitserhöhung zu erzielen, ist eine Verkleinerung der geometrischen Transistorabmessungen. Dadurch wird erreicht, dass die von den Ladungsträgern zurückzulegenden Wege verkleinert und die Bauelemente damit schneller werden. Ein anderer Ansatz zur Erhöhung der Transistorgeschwindigkeit, der beim HEIFET (Hot Electron Injection Field Effect Transistor) verfolgt wird, besteht darin, die mittlere Geschwindigkeit der hier als Ladungsträger eingesetzten Elektronen zu vergrößern. Während bei gewöhnlichen Transistoren die Elektronen über einen so genannten ohmschen Kontakt eingebracht werden und erst im Bauteil auf die im Halbleiterkristall maximal mögliche Geschwindigkeit (Sättigungsgeschwindigkeit) beschleunigen, wird beim HEIFET ein spezieller Kontakt eingesetzt, durch den die Elektronen bereits vorbeschleunigt ("heiß") in das Bauelement injiziert werden. Ziel des Projektes war es, diese Idee experimentell zu verifizieren. Herstellung und Messtechnik Die Fertigung der HEIFETs erforderte eine beträchtliche Weiterentwicklung der am Institut für Mikroelektronik vorhandenen Halbleitertechnologie. Als Ergebnis dieser Arbeiten ist nun insbesondere die Fertigung von feinen Gräben (minimal 0,4 m) in Metallflächen möglich, wobei dieser Prozessschritt zur Fertigung des elektroneninjizierenden Kontaktes benötigt wurde. Die hochfrequenzmäßige Vermessung der Bauelemente erfolgte "on wafer" mit einem vektoriellen Netzwerkanalysator Modell "8510C" der Firma "Hewlett-Packard" und einem Spitzenmessplatz vom Typ "Summit 9201" der Firma "Cascade Microtech". Rund um diese Geräte wurde ein Messsystem aufgebaut, welches eine halbautomatische Charakterisierung von Transistoren im Frequenzbereich von 45 MHz bis 50 Ghz gestattet. Zusätzlich wurden die nötigen Algorithmen zur Kalibrierung ("Deembedding") der Messdaten implementiert. Ergebnisse Im Zuge der Projektarbeiten stellte sich heraus, dass zwar die Injektion von schnellen Elektronen in das Bauelement möglich ist, der Transistor aufgrund der resultierenden Feldverteilung allerdings nicht mehr als Verstärker eingesetzt werden kann. Da als Halbleitermaterial GaAs verwendet wurde, war es durch entsprechende Modifikationen am Bauteil allerdings möglich, den Gunneffekt auszunutzen und dadurch Oszillatoren bei einer Frequenz von 58 GHz mit einer Versorgungsspannung von nur 3 V zu realisieren. Eine weitere Erhöhung dieser Resonanzfrequenz erscheint durchaus möglich und es wurde damit eine kostengünstige Mikrowellenquelle mit Potential zum Einsatz im ISM-Band bei 61 GHz und im KFZ-Radarband bei 77 GHz gefunden.