Erzeugung ultrakurzer elektrischer Impulse

auf nichtlinearen Leitungsstrukturen

 

 

 

Vom Fachbereich Elektrotechnik der

Gerhard-Mercator-Universität - Gesamthochschule Duisburg

zur Erlangung des akademischen Grades eines

Doktor-Ingenieurs

genehmigte Dissertation

 

von

Diplom-Physiker

Ralf Walter Hülsewede

aus

Münster

 

 

 

 

 

 

 

Referent: Prof. Dr. rer. nat. D. Jäger

Koreferent: Prof. Dr. rer. nat. F.J. Tegude

Datum der mündlichen Prüfung: 29.09.1998

 

Vorbemerkung

 

Den wissenschaftlichen Arbeiten der vorliegenden Dissertation liegen Aktivitäten des Sonderforschungsbereich 254 (SFB 254) "Höchstfrequenz- und Höchstgeschwindig-keitsschaltungen aus III-V-Halbleitern" der Gerhard-Mercator-Universität - Gesamt-hochschule Duisburg zugrunde. Der SFB 254 ist ein Schwerpunkt-Forschungs-programm der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und hat als Zielsetzung die Erarbeitung der physikalischen und technologischen Voraussetzungen sowie der rechnergestützten Entwurfsverfahren und der Meßverfahren für den Aufbau mono-lithisch integrierter Schaltungen im Mikrowellen- und Millimeterwellenbereich bis zu höchsten Frequenzen. Die Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten erstrecken sich dabei auf die vier Projektbereiche

in denen jeweils einzelne Teilaspekte in Form von fächerübergreifenden Teil-projekten in den beteiligten Fachgebieten erarbeitet werden. Im Hinblick auf die Zielsetzung nimmt dabei die intensive Kooperation der beteiligten Fachgebiete eine besonderen Stellenwert ein.

Diese Dissertation entstand im Rahmen der wissenschaftlichen Arbeiten zum Teilprojekt "Erzeugung von Pico- und Femtosekundenimpulse mit nichtlinearen Leitungen für Anwendungen in der On-Wafer-Meßtechnik", das in einer Kooperation der Fachgebiete Optoelektronik, Halbleitertechnik/Halbleitertechnologie und All-gemeine und Theoretische Elektrotechnik im Fachbereich Elektrotechnik der Gerhard-Mercator-Universität - Gesamthochschule Duisburg erfolgreich abge-schlossen wurde.

Inhaltsverzeichnis

Formelzeichen und Konstanten IV

Abkürzungen VII

1 Einleitung 1

2 Nichtlineare Leitungen 6

3 Simulation der Signalausbreitung auf nichtlinearen Leitungen 18

3.1 Simulationsmodell 19

3.2 Impulserzeugung und -kompression 24

3.2.1 Parametrische Verstärkung 34

3.2.2. Resonante Tunneldiodenleitung 41

3.2.3. Sättigbarer Absorber 44

4 Technologie nichtlinearer Leitungen 48

  1. Epitaxie 49
  2. Vom Leitungsentwurf zum Maskenlayout 51
  3. Herstellung von GaAs- und InP-HFET- NLTL 61

5 Experimentelle Charakterisierung nichtlinearer Leitungen 66

5.1 Quasistatische Untersuchungen 67

5.2 Hochfrequenz-Untersuchungen 75

5.2.1 Messungen im Frequenzbereich 76

5.2.1.1 Netzwerkanalyse 76

5.2.1.2. Elektrooptische Messungen 82

5.2.1.3. Feldsondenmessungen 89

5.2.2 Messungen im Zeitbereich 93

6 Zusammenfassung und Ausblick 106

Anhang 112

7 Literaturverzeichnis 116

Danksagung 128

Formelzeichen und Konstanten

Die folgende Tabelle listet die in dieser Arbeit verwendeten Formelzeichen und Konstanten auf.

Symbol Bezeichnung Einheit

a Abstand von Ohm- zur Schottkymetallisierung m

b Breite der Massemetallisierung m

c Länge einer Schottkydiode (in Ausbreitungsrichtung) m

d Abstand der Massemetallisierungen einer m

Koplanarleitung

ds Sperrschichtweite m

e Elementarladung (1,60219·10-19 As) As

f Frequenz Hz

f(x',t') normierte Funktion zur Beschreibung einer

harmonischen Pumpwelle

fp Frequenz der Pumpwelle Hz

fmax maximale Frequenz der sich auf nichtlinearen Hz

Leitungen ausbreitenden Wellen

g(U) Nichtlinearitätsfunktion

h Schrittweite in der Zeit (transformiert) s

hd Halbleiterschichtdicke m

hM Metallisierungsdicke m

i Zählindex für Schritte in der Zeit

j Zählindex für Schritte im Ort

k Schrittweite im Ort (transformiert) s

Boltzmann-Konstante (8,6176·10-5 eV/K) eV/K

k' Verhältnis von Innenleiterbreite zum Abstand

der Massemetallisierungen von Koplanarleitungen

(Modul des elliptischen Integrales)

m Zählindex für Perioden

n Idealitätsfaktor

p Länge einer Periode m

rs Schichtwiderstand W/sq

s Innenleiterbreite der Koplanarleitung m

S11, S22 komplexe Streuparameter (Reflexionsmessung)

S21, S12 komplexe Streuparameter (Transmissionsmessung)

t Zeit s

t' transformierte Zeit s

ts Impulsweite (Halbwertsbreite) eines Solitons s

tsmin minimale Impulsweite eines Solitons s

v0 Kleinsignalphasengeschwindigkeit m/s

w Spaltbreite der Koplanarleitung m

x Ort m

x' transformierter Ort s

A Kontaktfläche m2

B normierter Verlustparameter A/V3

C Kapazität As/V

Cs Sperrschichtkapazität As/V

CKPL Kapazität eines Koplanarleitungsstückes der Länge p As/V

C0 Kapazität im Arbeitspunkt As/V

G Leitwert S

Gp(U) spannungsabhängiger Leitwert S

H normierter Verlustparameter V-1

I elektrische Stromstärke A

ID elektrische Stromstärke einer Diode A

Is Sättigungsstrom A

Isd Sättigungsstromdichte A/cm2

K(k') vollständiges elliptisches Integral erster Ordnung

mit dem Modul k' als Argument

L Induktivität Vs/A

M Anzahl der Perioden

Nd Donatorkonzentration cm-3

Pin Leistung des Eingangssignales dBm

R Widerstand W

Rk Kontaktwiderstand W

RS Strahlungswiderstand W

R0 Widerstand der Halbleiterschicht W

T absolute Temperatur K

U elektrische Spannung V

Ub Durchbruchspannung V

UG Generatorspannung V

Ud Diffusionsspannung V

Uhf Momentanwert der hochfrequenten Wechselspannung V

Spannung am Ort j·k und zur Zeit i·h V

UL Leerlaufwechselspannung der Sonde V

U0 Vorspannung (eingeprägte Gleichspannung) V

Umax Maximalwert aller Spannungen V

Ûin Spannungsamplitude des Eingangssignales V

Ûs Spannungsamplitude eines Solitons V

Ûp Spannungsamplitude der Pumpwelle V

Ûpth Grenzwert der Pumpwellen-Spannungsamplitude V

WL Energienivau der Leitungsbandunterkante eV

WV Energienivau der Valenzbandoberkante eV

WF Fermi-Energie eV

XA Reaktanz der Sonde As/V

ZN komplexer Kleinsignalwellenwiderstand einer W

nichtlinearen Leitung

ZKette reeller Kleinsignalwellenwiderstand W

eines L-C-Kettenleiters

a Dämpfungskoeffizient m-1

b Phasenkoeffizient m-1

d Nichtlinearitätsparameter V-1

er relative Permittivität

er,eff relative effektive Permittivität As/Vm

e0 elektrische Feldkonstante (8,854·10-12 As/Vm) As/Vm

komplexer Wellenausbreitungskoeffizient m-1

j Phase der Pumpwelle

k normierter Amplitudenparameter V-1

l Wellenlänge m

mr relative Permeabilität

m0 magnetische Feldkonstante (1,256·10-6 Vs/Am) Vs/Am

qb Potential der Barriere V

rM spezifischer Widerstand Wm

s Normierungsfaktor des transformierten Ortes s-1

w Kreisfrequenz Hz

wc Tiefpassgrenzfrequenz Hz

wp Kreisfrequenz der Pumpwelle Hz

(x,y,z) kartesisches Koordinatensystem

 

Abkürzungen

In der folgenden Tabelle sind in dieser Arbeit verwendeten Abkürzungen aufgelistet.

Au/Ge/Ni Gold/Germanium/Nickel

CAD Computer Aided Design

FDTD Finite Differences in Time-Domain

G-KdV Generalisierte Korteweg-de Vries-Gleichung

GaAs Gallium-Arsenid

GSG Ground-Signal-Ground (Anschlußbelegung der Kontaktfinger eines Milrowellenprobers)

HEMT High Electron Mobility Transistor

HFET Heterostruktur-Feldeffekt-Transistor

im Imaginärteil einer komplexen Größe

InAlAs Indium-Aluminium-Arsenid

InGaAs Indium-Gallium-Arsenid

InGaAlAs Indium-Gallium-Aluminium-Arsenid

InP Indium-Phosphid

KdV Korteweg-de Vries-Gleichung

LN2 Liquid Nitrogen (flüssiger Stickstoff)

MBE Molecular Beam Epitaxy

MMIC Monolithic Microwave Integrated Circuit

MMMIC Monolithic Millimeterwave Integrated Circuit

Nd:YAG Neodym-Yttrium-Aluminium-Glas

NDR Negative Differential Resistance

NLTL Nonlinear Transmission Line (nichtlineare Leitung)

NWA Netzwerkanalysator

PLL Phase Lock Loop (phasenstarre Kopplung)

Pt/Ti/Pt/Au Platin/Titan/Platin/Gold

re Realteil einer komplexen Größe

RHEED Reflection High-Energy Electron Diffraction

RTD Resonante Tunneldiode

SL Super-Lattice (kristalline Übergitterstruktur)

TLM Transmission Line Method

TEM transversal elektromagnetisch

UHV Ultrahochvakuum

w.E. willkürliche Einheit

2-DEG zweidimensionales Elektronengas