Semi-classical simulation of state-of-the-art toward-terahertz silicon-germanium heterojunction bipolar transistors

Kamrani, Mohammad Hamed; Jungemann, Christoph; d'Alessandro, Vincenzo

doi:36579

Semi-classical simulation of state-of-the-art toward-terahertz silicon-germanium heterojunction bipolar transistors = Semi-klassische Simulation von hochmodernen zu-Terahertz Silizium-Germanium Heterojunction bipolar Transistoren

Kamrani, Mohammad Hamed

2017

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Mohammad Hamed Kamrani

ImpressumAachen 2017

Umfang1 Online-Ressource (xii,92 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2017

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Jungemann, Christoph (Thesis advisor) ; d'Alessandro, Vincenzo (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-06-13

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2017-08275
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/699408/files/699408.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/699408/files/699408.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Theoretische Elektrotechnik (611410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Boltzmann equation (frei) ; electrothermal (frei) ; hot-carrier degradation (frei) ; semi-classical simulation (frei) ; silicon-germanium heterojunction bipolar transistors (frei) ; spherical harmonics expansion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Diese Doktorarbeit präsentiert ein mikroskopisches Simulations- und Modellierungsgerüst für die hochmodernen zu-Terahertz Silizium-Germanium (SiGe) Heterojunction bipolar Transistoren (HBT). Zu diesem Ziel wurde ein stationärer deterministischer Löser entwickelt, der auf einer Ausdehnung in Kugelflächenfunktionen des gekoppelten Systems von Boltzmann-Transportgleichungen für Elektronen, Löcher und Phononen basiert. Die Simulationsergebnisse dieses internen deterministischen Lösers, der Vollbandstruktur und Hochfeld-Effekte beinhaltet, werden gegen experimentelle Daten verifiziert. Um Nicht-Gleichgewichts-effekte für das Ladungsträger-Phonon-System zu untersuchen, wird der Einfluss von heißen longitudinalen optischen Phononen auf den stationären Trägertransport diskutiert. Darüber hinaus ermöglicht die selbstkonsistente und deterministische Lösung des gekoppelten Satzes von Gleichungen, die Sperrschichttemperatur zu extrahieren, indem ein Verfahren verwendet wird, das auf den simulierten Gleichstromeigenschaften basiert. Die resultierende Sperrschichttemperatur wird mit dem Zahlenwert verglichen, der aus dem Temperaturprofil innerhalb des nanoskaligen Gerätes erhalten wird. Es wird eine gute Übereinstimmung für die durchschnittliche Temperatur in dem Basis-Emitter-Übergang erhalten, der den analytischen Ansatz verifiziert, der verwendet wird, um den thermischen Widerstand des Gerätes durch Experimente zu extrahieren. Um einen neuen Einblick in die zugrundeliegenden Mechanismen des Heißträgerabbaus in bipolar Transistoren zu erhalten, wird ein physikalisch basiertes Modell auf der Basis der Verteilungsfunktionen sowohl von heißen Elektronen als auch von heißen Löchern eingeführt. Das Vollband-Transportmodell liefert die Energieverteilungsfunktionen der Ladungsträger, die mit den passivierten Si-H-Bindungen entlang der Oxidschnittstelle wechselwirken. Die Simulationsergebnisse behaupten die dominierende Rolle der Heißlöcher entlang der Emitter-Base-Spaceroxid-Schnittstelle bei dem Langzeitabbau eines npn SiGe HBT unter niedrigen und hohen Strombedingungen am Rand des sicheren Betriebsbereichs. Die Grenzflächenfängerdichte, die durch Einverleibung eines reaktionsbegrenzten Modells mit dispersiven Reaktionsraten berechnet wird, erklärt die Zeitabhängigkeit der Grenzflächenfängerdichte und den daraus resultierenden Vorwärtsmoden-Leckbasisstrom für unterschiedliche Stress-Bias-Bedingungen.

This work presents a microscopic simulation and modeling framework for the state-of-the-art toward-terahertz silicon-germanium (SiGe) heterojunction bipolar transistors (HBTs). To this goal, a stationary deterministic solver based on a spherical harmonics expansion of the coupled system of Boltzmann transport equations for electrons, holes, and phonons has been developed. The simulation results of this in-house deterministic solver, which includes full band structure and high-field effects, are verified against experimental data. To investigate non-equilibrium effects for the carrier-phonon system, the impact of hot longitudinal optical phonons on steady state carrier transport is discussed. Furthermore, the self-consistent and deterministic solution of the coupled set of equations allows to extract the junction temperature by making use of a method based on the simulated DC characteristics. The resultant junction temperature is compared to the value obtained from the temperature profile within the nanoscale device. Good agreement is obtained for the average temperature in the base-emitter junction verifying the analytical approach used to extract the thermal resistance of the device by experiments. In order to obtain a new insight into the underlying mechanisms of hot-carrier degradation in bipolar transistors, a physics-based model based on the distribution functions of both hot electrons and hot holes is introduced. The full-band transport model provides the energy distribution functions of the charge carriers interacting with the passivated Si-H bonds along the oxide interface. The simulation results assert the dominant role of hot holes along the emitter-base spacer oxide interface in the long-term degradation of an npn SiGe HBT under low and high-current conditions at the border of the safe operating area. The interface trap density, which is calculated by incorporating a reaction-limited model with dispersive reaction rates, explains the time dependence of the interface trap density and the resulting forward-mode leakage base current for different stress bias conditions.

OpenAccess:
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