University thesis:
Dissertation, Albert-Ludwigs-Universität Freiburg, 2015
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Zusammenfassung: 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 Schlüssel-komponente bei der Entwicklung von Millimeter- und Submillimeter-Systemen sind analoge monolithisch integrierte Mikrowellenschaltungen (englisch: Monolithic Microwave Integrated Circuit (MMIC)) auf Basis einer rauscharmen und schnellen Transistortechnologie. Eine Halbleiter-technologie, die diese Anforderungen erfüllt ist die metamorphe High Electron Mobility Transistor (mHEMT) Technologie des Fraunhofer Institutes für angewandte Festkörperphysik (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 Abnahme 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 (lStruktur / λ < 10), was zu verteilten Effekten innerhalb der aktiven und passiven Strukturen führt und auch die Ausbreitung von höheren Feldtypen 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 mehrere Frequenzbänder 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 breitbandige 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