TU BRAUNSCHWEIG
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Forschung

Numerische Simulation von Halbleiterbauelementen

Das Hauptziel dieser Forschungsarbeiten ist die Entwicklung numerischer Simulationsmodelle, welche die Skalierung bereits vorhandener und die Entwicklung neuartiger Halbleiterbauelemente unterstützen. Zusätzlich dienen diese Modelle als Referenz für die Entwicklung von Kompaktmodellen, die für eine genaue und rechenzeiteffiziente Schaltkreissimulation unverzichtbar sind.
Abhängig von den kritischen Bauelementabmessungen (z.B. Kanallängen, Raumladungsweiten, Basisweiten) müssen Modelle mit sehr unterschiedlicher Komplexitätverwendet werden,um die Eigenschaften eines Bauelementes als Funktion seiner geometrischen Abmessungen und seiner materiellen Zusammensetzung vorhersagen zu können. Kann man die Bandstruktur in einem Bauelement als unabhängig vom Arbeitspunkt voraussetzen und haben Tunnelprozesse noch keinen wesentlichen Einfluss, so ist das semiklassische Modell, bestehend aus der selbstkonsistenten Lösung der Poisson-Gleichung und der Boltzmannschen Transportgleichung für Elektronen und Löcher, hinreichend genau, wenn man den Einfluss von Quanteneffekten durch wohlkalibrierte empirische Modelle beschreibt. Für kritische Bauelementabmessungen von mehr als etwa 50nm ist der Einfluß des ballistischen Transports typischerweise zusätzlich vernachlässigbar und vereinfachte klassische Transportgleichungen wie die Drift­‐Diffusions­‐Gleichung, deren Genauigkeit von wohlkalibrierte Beweglichkeitsmodellen abhängt, können statt der Boltzmannschen Transportgleichungverwendetwerden, wodurch die Rechenzeitanforderungen für die numerische Simulation drastisch sinken. Sowohl für den semiklassischen als auch den klassischen Transportbereich stehen am Institut mit ELWOMIS [B1], [J35] und GALENE III [B2], [J15] zwei numerische Simulatoren für die Forschungsarbeiten zur Verfügung, die von Prof. Meinerzhagen in den letzten Jahrzehnten maßgeblich mitentwickelt wurden. Mehrere international bekannte Halbleiterhersteller haben eine Softwarelizenz für diese Simulatoren erworben und setzen diese für ihre Entwicklungsarbeiten ein. In den letzten Jahren konzentrieren sich die Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet auf die intelligente Verknüpfung von klassischen und semiklassischen Transportmodellen, um zum Beispiel eine genaue Simulation des elektronischen Rauschens oder von Effekten heißer Ladungsträgerzu ermöglichen [J15], [J29], [J30]. Ein aktuelles Beispiel dazu ist die messtechnisch verifizierte Simulation der Störung des Speicherinhalts einer Flash-Speicher-­Zelle durch das Programmieren von Nachbarzellen (Program Disturb) in einem modernen NAND-Flash-Speicher [C150].
In modernen MOS-­Transistoren mit Nanometerdimensionen ist der Einfluß der Quanteneffekte zu komplex und zu dominant,um eine vorhersagefähige numerische Bauelementsimulation ohne Berücksichtigung der Schrödinger-­Gleichung und damit des Quantentransports zu erlauben. Sind Tunnelprozesse zwischen Source und Drain nicht dominant, wie es für Silizium-­Feldeffekttransistoren mit Kanallängen oberhalb von etwa 5nm angenommen werden kann, so ist die Berücksichtigung der Schrödinger-­Gleichung für den Transport senkrecht zum Kanal typischerweise ausreichend und der Kanaltransport kann durch Boltzmannsche Transportgleichungen in Kanalrichtung noch hinreichend genau beschrieben werden. In diesem Bereich entwickelt das Institut zurzeit den weltweit ersten Simulator für moderne p-­Kanal­‐Feldeffekttransistoren, der die Poisson-Gleichung, die k•p Schrödinger­‐Gleichung senkrecht zum Kanal und die Multisubband-­Boltzmann­‐Transportgleichungen entlang des Kanals selbstkonsistent löst, ohne dabei den Monte­‐Carlo Algorithmus zu benutzen und die damit verbundenen Nachteile in Kauf nehmen zu müssen [B3], [C133], [C134].

Entwurf und Messtechnische Charakterisierung von Integrierten Sende-­ und Empfangsschaltungen für den Millimeterwellenbereich

Aufgrund der rasanten Fortschritte der integrierten Schaltungstechnik hat sich die drahtlose Übertragung von Informationen (WLAN, GSM, etc.) und die Erkundung der Umgebung auf der Basis von elektromagnetischen Wellen (Video, Radar, etc.) in den letzten Jahrzehnten mit hohem Tempo entwickelt. Dabei zeigt sich dies im Millimeterwellenbereich (20GHz‐300GHz), der für Radaranwendungen aufgrund der großen verfügbaren Bandbreiten und der dadurch bedingten hohen Messgenauigkeit speziellbei Nahbereichserkundungen besonders interessant ist, erst sei etwa zehn Jahren, da lange keine kostengünstige und hinreichend leistungsfähige integrierte Elektronik für diesen Anwendungsfall zur Verfügung stand. Dies hat sich im letzten Jahrzehnt geändert, wie die zurzeit extreme Zunahme von Radarsensoren in der besonders kostenbewussten Automobilindustrie zeigt. Doch die möglichen Anwendungen sind damit bei weitem nicht erschöpft. Millimeterwellen­‐Radar wird heute bei der Trennung von Kunststoffen in Recyclinganlagen, der Navigation von unbemannten Robotern in brennenden Häusern und auch der Detektion von Sprengstoffen bei Sicherheitskontrollen eingesetzt.
Das Institut für Elektronische Bauelemente und Schaltungstechnik war und ist aktiv an der Entwicklung der für diesen Anwendungsbereich notwendigen SiGe-­Bipolar-­ und CMOS­‐Transistoren beteiligt und hat seit 2010 auch mit Forschungsarbeiten auf demGebiet der analogen integrierten Schaltungstechnik für diesen Anwendungsbereich begonnen. Diese Forschungsarbeiten konzentrieren sich zunächst auf FMCW–Radar­‐Anwendungen im 24GHz Bereich mit dem Ziel, einen eigenen 24GHz Radarsensordemonstrator zu realisieren, bei dem alle Schaltungsteile, die oberhalb von 10GHz arbeiten, Eigenentwicklungen des Instituts auf der Basis einer 130nm RF­‐CMOS-Technologie sind. Für diesen Sensor wurden bereits einige Schaltungen entworfen und erfolgreich getestet [C157]. Diese Forschungsarbeiten werden in naher Zukunft auf 77GHz Radarschaltungen, die für Automobilanwendungen besonders interessant sind, erweitert.

[Die Literaturangaben beziehen sich auf das Literaturverzeichnis auf dieser Webseite, wobei die Buchstaben auf den Typ der Veröffentlichung verweisen: Buch(B), Journal (J), Konferenz(C)]

Forschungsprojekte

Nanofeld (2011-2015)

DFG Projekt:
Efficient multisubband device simulations for nanoscaled field effect transistors including high-k dielectrics and III–V materials

GOSSAMER (2008-2010)


EU-Projekt:   Gigascale Oriented Solid State flAsh Memory for EuRope

Helektron (2004-2006)

Simulation des Programmieren und Löschens einer NROM-Speicherzelle
BMBF-Projekt im Unterauftrag von Infineon (Dresden und München)

Full-Band Monte-Carlo Simulation of sub-100nm strained Si CMOS (2003-2005)

SRC-Projekt in Zusammenarbeit mit Intel (Santa Clara) und MIT (Cambridge/USA)

DFG Schwerpunktprogramm "Halbleiterbauelemente hoher Leistung" (1997-2004)

Teilprojekt: Modellierung des Trägertransports in Inversionsschichten für MOS-Bauelemente hoher Leistung

HG-DAT (2001-2003)

Hochgeschwindigkeits-Datenübertragungssysteme

HF-Front-Ends (1997-2000)

Entwurfsmethodik für integrierte Höchstfrequenzsysteme zukunftsorientierter Kommunikationstechniken

HF-Front-Ends





aktualisiert: 30.08.2016

Verantwortlich: Michael Hinz
Feedback an: m.hinz@tu-braunschweig.de