Wie im vorangehenden Kapitel gezeigt, hat die Simulation der Signalausbreitung auf NLTL neue Erkenntnisse bei der Optimierung der Kompressionseigenschaften geliefert. An dieser Stelle werden nun zunächst die Methoden dargestellt, mit denen die Simulationsergebnisse in den Entwurf technischer NLTL umgesetzt wurden. Im Anschluß werden dann die im Rahmen dieser Arbeit angewandten technologischen Prozesse zur Herstellung von nichtlinearen Leitungen ausführlich erläutert. Neben neuartigen NLTL auf InP-HFET-Substrat sind - zu Vergleichszwecken - auch NLTL im GaAs-System entworfen und hergestellt worden. Die GaAs-NLTL entsprechen in ihrer Ausführung dabei weitgehend den in [17] beschriebenen Leitungen und dienen im wesentlichen zur Verifikation der hier angewandten Entwurfs- und Herstellungsverfahren. Bevor dazu im einzelnen auf die Entwicklung des Leitungslayoutes und die mittels Kontaktlithographie durchgeführte Prozes-sierung der NLTL eingegangen wird, folgt eine kurze Auflistung der im Rahmen diese Arbeit hergestellten NLTL:

An zusätzlich prozessierten Einzeldioden und Koplanarleitungen wurden die Kapazitäts- bzw. Strom-Spannungs-Charakteristik der eingesetzten Dioden, sowie die Leitungsverluste experimentell bestimmt. Die Ergebnisse sind anschließend bei der gezielten Entwicklung von InP-NLTL zur Pulskompression in a), b) und c) berücksichtigt worden.

An dieser Stelle ist anzumerken, daß im Rahmen einer Kooperation die Epitaxie aller InP-HFET-Schichtstrukturen und einiger GaAs-Schichtstrukturen, sowie
die Prozessierung der NLTL von Herrn U. Auer im Fachgebiet Halbleitertechnik/ Halbleitertechnologie an der Gerhard-Mercator-Universität Duisburg durchgeführt wurde. Herr  B. Holländer war bei der Ionenimplantation periodischer GaAs-NLTL im Institut für Schicht- und Ionentechnik der KFA Jülich behilflich.

Basis für den Aufbau aller im Rahmen dieser Arbeit untersuchten Schottkydioden sind Schichtstrukturen im GaAs- und InP-System nach den Abbildungen 2.3a und 2.4, die mittels Epitaxie auf hochreinen GaAs- bzw. InP-Substratwafern geringer elektrischer Leitfähigkeit abgeschieden wurden. Bei diesem Prozeß erfolgt die Anlagerung von Gruppe III- und Gruppe V- Elementen auf dem als Substrat bezeichneten Trägermaterial derart, daß durch geeignete Maßnahmen die kristalline Ordnung des Substrates von den aufgebrachten Schichten angenommen wird. Die Zusammensetzung, Dotierung und Dicke der erzeugten Schichten ist beliebig häufig und atomar abrupt änderbar, so daß sich neue künstliche Materialien mit maßgeschneiderten optischen und elektrischen Eigenschaften herstellen lassen (siehe z.B.[75-78]).

Mit dem hier kurz dargestellten Verfahren der Molekularstrahlepitaxie sind mehrere Schichtstrukturen auf InP- und GaAs-Basis für die Herstellung von homogenen, periodischen und Gradienten-NLTL prozessiert worden, deren typischer Aufbau bereits in Kapitel 2 dargestellt und diskutiert wurde. Wie ebenfalls in Kapitel 2 erwähnt stellt der Bahnwiderstand, der auf Basis dieser Schichtstrukturen herge-stellten Dioden einen bedeutenden Beitrag zu den gesamt wirksamen Verlusten bei der Signalausbreitung auf NLTL dar. In diesem Zusammenhang ist daher der Schichtwiderstand der verwendeten Halbleiter ein Kriterium für einen Vergleich der in den Abbildungen 2.3a und 2.4 dargestellten Schichtstrukturen.

Im folgenden Abschnitt werden nun die Methoden und Verfahren aufgezeigt mit denen die Simulationsergebnisse in einen Leitungsentwurf transformiert und weiter in ein technisches Layout für die Herstellung von NLTL umgesetzt wurden.

Daraus ergibt sich für die Kapazität, die Induktivität und die Verlustwiderstände einer Periode der NLTL entsprechend Abb. 3.1a:

, (4.2a)

, (4.2b)

, (4.2c)

so daß:

Der Leitungsentwurf wird nun in ein technisches Layout transformiert. Dazu werden die konzentrierten Ersatzschaltbildelemente geometrischen Metallisie-rungsstrukturen auf dem epitaktischen Vielschicht-Halbleitermaterial zugeordnet, so daß sich eine alternierende Anordnung von planaren Dioden und koplanaren Leitungsstücken ergibt. In Abb. 4.4 ist diese Zuordnung für eine Periode des Leitungslayoutes schematisch dargestellt. Berücksichtigt wurde dabei das Ersatz-schaltbild mit diskreten Elementen aus Abb. 3.1a. Generell wird für jede Periode die

tätsbelag mit Hilfe der konformen Abbildung [92,93] durch das Verhältnis elliptischer Integrale erster Ordnung gegeben zu:

mit

Die Annahme unendlich breiter Massemetallisierungen ist nach [93] bereits erfüllt, wenn die Breite b größer als d/2 = 35 µm gewählt wird. Hier wird b mit einer Abmessung von 115 µm gewählt, so daß sich die vollständige Breite der Koplanarleitung zu 300 µm ergibt.

CKPL läßt sich ebenfalls mit Hilfe der Koplanarleitungstheorie [59] über die konforme Abbildung aus den Querabmessungen der Koplanarleitung berechnen. Aus dem Verhältnis elliptischer Integrale ergibt sich danach der Kapazitätsbelag einer Koplanarleitung zu:

wobei die Gültigkeit dieser Gleichung unter den gleichen Voraussetzungen gegeben ist, wie sie für die Gleichung (4.5) gelten. Die Permittivität des Vakuums wird hier mit e0, die relative Permittivität mit er und die effektive relative Permittivität mit er,eff bezeichnet. Mit den oben genannten Werten für s und w ergibt sich nach den Gleichungen (4.6a), (4.7) und (4.10) der Kapazitätsbelag zu 116 fF/mm, so daß in einer Periode diese Koplanarleitung mit einer konstanten Kapazität von CKPL = 22 fF zur Kapazität C0 beiträgt. Nach Gleichung (4.9) muß daher die Sperrschichtkapazität der Schottkydiode Cs(U0) = 51 fF betragen. Dieser Wert wird mit der Wahl einer geeigneten Kontaktfläche A = 100 µm2 anhand der experimentellen Ergebnisse aus Abb. 4.6 umgesetzt. Aufgrund der Innenleiterbreite von 10µm ist somit die Länge der Diode in Ausbreitungsrichtung mit c = 10 µm ebenfalls bestimmt. Zusammen mit den Längen der Koplanarleitungen von je 85 µm ergibt sich so die Länge einer Periode zu p = 200 µm.

Anzumerken ist an dieser Stelle, daß der konstante Anteil CKPL an der Gesamtkapazität C(U) bei gleicher Spannungsänderung dU zu einer Verringerung der relativen Kapazitätsänderung dC/C0 führt, was mit einer Abschwächung der wirksamen Nichtlinearität auf der NLTL einher geht. In der zugrunde liegenden Simulation (siehe Abb. 4.2) wurde diese Abschwächung mit dem Faktor 0,7 in der Nichtlinearitätsfunktion g(U) berücksichtigt.

Der ohmsche Längswiderstand des Innenleiters R kann an dieser Stelle lediglich noch durch den spezifischen Widerstand rM der Metallisierung und die Metall-lisierungsdicke hM eingestellt werden, da die lateralen Abmessungen des Innen-leiters bereits ermittelt sind. Als Metallisierung ist thermisch aufgedampftes Gold vorgesehen, so daß für die Berechnung der Metallisierungsdicke von dem experi-mentell ermittelten spezifischen Widerstand rM = 4,6 · 10-6 Wcm [57] auszugehen ist. Nach

ergibt sich für R = 0,9 W eine Metallisierungsdicke von hM = 0,5 µm, so daß diese Metallisierung wie vorgesehen durch Kontaktlithographie und Aufdampftechnik erzeugt werden kann. Eine Abschätzung der frequenzabhängigen Eindringtiefe des magnetischen Feldes in die Leitungsmetallisierung - auch als Skineffekt bezeichnet - liefert für den Frequenzbereich bis 100 GHz eine Eindringtiefe von mehr als 0,4 µm [59]. Im vorgesehenen Einsatzbereich der NLTL können daher zusätzliche Verluste aufgrund des Skineffekt vernachlässigt werden.

Nach Abb. 4.4 ergibt sich der Leitwert G, bzw. der Bahnwiderstand Rb = 1/G, wie folgt aus dem Widerstand der Halbleiterschicht R0 und dem Kontaktwiderstand Rk der ohmschen Kontakte:

Für die Umsetzung des Leitwertes G = 0,21 S folgt daraus, daß die Summe von R0 und Rk einen Wert von 9,2 W erreichen muß. Zunächst wird der Kontaktwiderstand des Metall-Halbleiterüberganges an den beiden 10 µm breiten ohmschen Masse-kontaktierungen der Diode, anhand experimenteller Ergebnisse in [57], zu Rk = 6,0 W angenommen. Der weiterhin benötigte Widerstand der Halbleiterschicht muß daher einen Wert von R0 = 3,2 W annehmen und wird über:

in Abhängigkeit vom Schichtwiderstand rs durch ein geeignetes Längen- zu Breitenverhältnis der Kontaktanordnung eingestellt. Im Gegensatz zum Kontakt-widerstand, der im wesentlichen durch die komplexen Vorgänge des Legierungs-prozesses bei der technologischen Herstellung bestimmt wird [57], hängt der Schichtwiderstand in der Regel nur von den Materialeigenschaften und der Dicke des Schichtmateriales ab. Bei bekannter Anzahl und Beweglichkeit der Ladungs-träger sowie der Schichtdicke des hier betrachteten GaAs-Substrates (Abb. 2.2a), ist der Schichtwiderstand rs wie folgt gegeben [96]:

Dabei ist mit µn die Beweglichkeit der Elektronen im GaAs und mit e die Elementarladung bezeichnet. Weiterhin steht hd für die Schichtdicke der mit der Donatorkonzentration Nd dotierten Schicht (der Einfluß der Minoritätsträger wird vernachlässigt). Mit µn = 3000 cm2/Vs und den Angaben zur Schichtstruktur aus Abb. 2.3a ist der Schichtwiderstand hier zu rs = 3,2 W/sq berechnet, was sehr gut mit dem experimentell bestimmten Wert von 3,4 W/sq übereinstimmt (s.a. Kapitel 5). Nach Gleichung (4.13) ergeben sich mit rs = 3,4 W/sq und c = 10 µm die Abstände zwischen dem Schottkykontakt unter dem Innenleiter und den ohmschen Massekontakten der Diode dann zu a = 10 µm.

Durch Aneinanderketten von 20 dieser Strukturen ist die Transformation des Leitungsentwurfes in ein technologisches Layout für diese NLTL abgeschlossen.

Für die Erstellung von Leitungsentwürfen homogener NLTL ist zunächst zu be-achten, daß in den Simulationsergebnissen mit C'' = 0 Fmm die Filtereigenschaft der NLTL vernachlässigt ist und somit das differentielle Ersatzschaltbild aus Abb. 3.1b als Basis für die Umsetzung herangezogen wird. Durch die Wahl der Schicht-struktur wird zunächst die Nichtlinearität festgelegt, so daß anschließend nur noch die Verlustparameter R'/L' und C0'/G' in die entsprechenden Leitungbeläge umzu-wandeln sind. Die technische Umsetzung des Entwurfes in eine Schottkykontakt-Koplanarleitung erfolgt dann z.B. nach dem in [55] erläuterten Verfahren. Dort ist die Zuordnung der Leitungsbeläge aus dem Ersatzschaltbild in entsprechende Leitungsgeometrien einer Koplanarleitung auf halbleitendem Substrat detailliert beschrieben. Dabei hat die Erfahrung gezeigt, daß die technische Umsetzung lediglich eine enge Auswahl an Werten für die Leitungsbeläge zuläßt.

Diese Behandlung führt hier zu einem Schichtwiderstand von 38 MW/sq, was eine ausreichende Isolierung der Elemente untereinander gewährleistet. Nach Entfernen des Schutzlackes wird im letzten Prozeßschritt die Schottkymetallisierung zusammen mit der Leitungsmetallisierung als Pt/Ti/Pt/Au (560nm) aufgedampft, wie in Abb.4.5c dargestellt.

oben beschriebenen technologischen Verfahren sind erste nichtlineare Leitungen auf einem InP-basierendem Schichtsystem hergestellt worden. Als Beispiel für eine derartige Umsetzung ist in Abb. 4.7 die Aufsicht auf eine nach diesem Verfahren
entworfene und technologisch hergestellte Gradienten-NLTL auf InP-HFET-Substrat zu sehen. Die gesamte NLTL ist auf einer Fläche von 3,3 mm ´  1,0 mm angeordnet und stellt die Umsetzung der Simulationsergebnisse aus Abb. 3.4 dar, wobei minimale Strukturgrößen (Kontaktabstand, Spalt- und Innenleiterbreite) mit 2 µm berücksichtigt wurden, die mit dem angewandten Herstellungsprozeß repro-duzierbar zu realisieren sind [57]. Wie in der Ausschnittvergrößerung dargestellt, ist hier jede Diode aus dem Leitungsentwurf als Doppeldiode ausgeführt, die mit einer charakteristischen Kontaktstruktur in Form von Fingerkontakten symmetrisch zwischen dem Innenleiter und den Massekontakten angeordnet ist. Ein Schnitt in x-x - Richtung entspricht dabei dem in Abb. 2.4 dargestellten Querschnitt. Wie in der Abbildung weiter zu erkennen ist, sind am Eingang und Ausgang der NLTL spezielle Kontaktstrukturen (Taper) angeordnet, die zur elektrischen Kontaktierung der NLTL mit speziellen Meßspitzen - sogenannten Mikrowellenprobern (50 W, 150 µm, GSG-Koplanarprober) - vorgesehen sind.