198 research outputs found
Untersuchung des negativen differnetiellen Widerstandes an monolithischen Al-Ge-Al Heterostrukturen
Full text linkGermanium (Ge) is of particular interest for the investigation of quantum effects due to its pronounced spin-orbit coupling and quantum confinement phenomena [1]. In addition toongoing miniaturization, Ge presents notable performance advantages for integrated ICs owing to its elevated carrier mobility and compatibility with Complementary Metal-Oxide-Semiconductor (CMOS) technology [1]. Over recent years, Vapour Liquid Solid (VLS) grown nanowires (NWs) have served as the foundation for Al-Ge heterostructures [2], facilitating significant advancements in quantum ballistic transport, photonic, and plasmonic investigations[2]. This progress holds the potential for the development of a diverse array of cutting-edge devices [2]. Despite its potential, the large-scale integration of VLS-grown Ge-NWs poses significant challenges [2].Negative Differential Resistance (NDR) phenomenon is a non-linear electrical behavior observed in a variety of materials and devices [3]. This study presents an in-depth investigation into the NDR behavior exhibited by Al-Ge-Al nanostructures. The results are observed inmultiple NDR features in NWs. In the experimental section of this thesis, various analyses were conducted to investigate how the observed phenomena in Al-Ge-Al nanostructures depend ontheir physical dimensions [3]. This involved systematically varying parameters such as the length, width, and thickness of the NWs to understand their influence on properties like NDR behavior and conductivity. By meticulously controlling these parameters, i was able to uncover trends and correlations that shed light on the underlying physics governing the behavior of these nanostructures [3].In essence, the NDR behavior observed in Al-Ge-Al NWs stems from intricate interactions among electronic states within the constituent materials. The investigation yields profound insights into the fundamental physics governing NDR phenomena in NW systems, offering promising avenues for future nano-electronic applications [3].Crystallographic analyses uncover the exceptional purity and crystallinity of Al-Geheterostructures, featuring nearly atomically sharp interfaces [4]. Our exploration of structures with diverse cross-sections demonstrates the versatility of the thermal Al-Ge exchange process,which exhibits no constraints based on specific orientations or geometric boundaries [4]. The markedly improved contact characteristics of the abrupt metal-semiconductor junction contribute to a remarkable enhancement in the conductivity of an nealed heterostructures [5].Integration of these advanced heterostructures into field-effect transistor (FET) architecturesenables precise modulation of drain current across multiple orders of magnitude [5]
Ballistische Transportphänomene in Al-Ge-Al NW Heterostrukturen
Full text linkSo far, continuous miniaturization of classical planar electronic devices has been the main driving force behind the advancement of modern integrated circuit technology. However, due to physical limits and dramatic repercussions of short channel effects, scaling becomes increasingly difficult. Hence, a shift towards the adoption of new materials and novel design architectures is predicted to insure further improvement of integration densities, power dissipation and performance. Semiconductor nanowires (NWs) are predicted to be one of the most promising building blocks for future ultra-scaled high-speed microelectronics. Out of the wide range of NWs, germanium (Ge) occupies an exceptional position, because it combines a high carrier mobility, enabling high performance devices, with a more than five times larger exciton Bohr radius compared to silicon (Si). Hence, Ge is especially interesting for the development of novel quantum devices. Dedicated to the small feature sizes required, until now it was not possible to show ballistic transport in group IV semiconductor NW based devices at temperatures above 20mK. The scope of the diploma thesis at hand was to synthesize axial Al-Ge-Al NW heterostructures with abrupt interfaces and monocrystalline aluminum (Al) leads. This was achieved by using a thermally initiated exchange reaction between vapor-liquid-solid (VLS) grown single-crystalline Ge NWs and Al contact pads. Applying rapid thermal annealing (RTA) for the formation of Al-Ge-Al NW heterostructures is one of the key advantages of the fabrication strategy, because it enables the formation of a Ge nanodot without requiring precise lithographic alignment of the contacts, which is one of the most challenging issues of fabricating nanodot based devices. The capability to control the size of the Ge segment connected by two Schottky tunnel barriers was achieved by fine tuning of the process parameters. Thus, it was possible to fabricate Al-Ge-Al NW heterostructures featuring ultrashort Ge segments down to 10 nm, which can be operated as back-gated field-effect transistors (FETs). Based on NW heterostructures with ultrasmall Ge segments, a systematic investigation of ballistic transport phenomena was carried out by electrical characterizations at room temperature as well as cryogenic temperatures down to 5K. In order to allow interpretation and to gain a better insight into the measurement results of the conducted transport measurements, the diameter dependence of quantum confinement effects in Ge NWs was investigated by simulations based on the 2D Schrödinger equation. By comparing the experimental data and simulation results, evidence of ballistic transport for Al-Ge-Al NW heterostructures with Ge segment lengths varying between 10nm and 30nm at room-temperature is presented
Electronic Transport Modulation in Ultrastrained Silicon Nanowire Devices
No full textIn this work, we explore the effect of ultrahigh tensile strain on electrical transport properties of silicon. By integrating vapor-liquid-solid-grown nanowires into a micromechanical straining device, we demonstrate uniaxial tensile strain levels up to 9.5%. Thereby the triply degenerated phonon dispersion relation at the Γ-point of silicon disentangle and the longitudinal phonon modes are used to precisely determine the extent of mechanical strain. Simultaneous electrical transport measurements showed a significant enhancement in the electrical conductance. Aside from considerable reduction of the Si bulk resistivity due to strain-induced band gap narrowing, comparison with quasi-particle GW calculations further reveals that the effective Schottky barrier height at the electrical contacts undergoes a substantial reduction. For these reasons, nanowire devices with ultrastrained channels may be promising candidates for future applications of high-performance silicon-based devices.The authors gratefully acknowledge financial support by the Austrian Science Fund (FWF): Project No. P29729-N27. R.R. acknowledges financial support from MCIN/AEI/10.13039/501100011033 under grant PID2020–119777GB-I00, the Severo Ochoa Centres of Excellence Program under grant CEX2023-001263-S, and the Generalitat de Catalunya under grant 2021 SGR01519. M.P. acknowledges Union─NextGenerationEU under the Italian National Center 1 on HPC–Spoke 6: “Multiscale Modelling and Engineering Applications”. X.C acknowledges financial support by Spain’s Ministerio de Ciencia e Innovación under grant no. PID2021-127840NB-I00 (MICINN/AEI/FEDER, UE).With funding from the Spanish government through the ‘Severo Ochoa Centre of Excellence’ accreditation (CEX2019-000917-S).Peer reviewe
Elektrische Transportuntersuchungen an monolithischen Al-Ge-Al Nanodrahtheterostrukturen
Full text linkMetall-Halbleiter-Metall Heterostrukturen sind für grundlegende Untersuchungen von niedrigdimensionalen Nanostrukturen und der Erforschung zukünftiger hochleistungsfähiger Nanoelektronik- und Quantenbauelemente attraktiv. Insbesondere bieten sie ein enormes Potenzial für eine Vielzahl von Schlüsselkomponenten von Quantencomputern wie beispielsweise SQUIDs, Oszillatoren, Mischern und Verstärkern. In diesem Zusammenhang nimmt Ge, durch die Kombination hoher Ladungsträgermobilitäten und ausgeprägterer Quanten-Confinement-Effekte, eine Sonderstellung für die Entwicklung neuartiger Quantenbauteile in der Post-Si-Ära ein. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, dass unter Verwendung einer thermisch induzierten Austauschreaktion zwischen einkristallinen Ge-Nanodrähten und Al-Kontakten, Al-Ge-Al Nanodraht-Heterostrukturen mit ultra-kurzen Ge-Segmenten und kristallinen quasi-1D Al-Zuleitungen, ohne lithografische Einschränkungen, hergestellt werden können. Hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie und energiedispersive Röntgenspektroskopie belegten dabei die perfekte Kristallinität aller Komponenten der Nanodraht-Heterostruktur. Durch die Integration ultrakurzer Ge Segmente als aktive Kanäle in elektrostatisch gesteuerten Feldeffekttransistoren wurde eine Plattform für die systematische Untersuchung elektrischer Transportmechanismen in ultra-skalierten Ge-Nanodrähten geschaffen. Im Gegensatz zu herkömmlichen Kurzkanalbauelementen verhindert die quasi-1D Metall-Halbleiter-Metall Architektur eine Abschirmung des elektrischen Feldes der Gate-Elektrode durch die Anschlusskontakte und ermöglicht somit eine perfekte elektrostatische Steuerung von ultra-skalierten Ge-Kanälen. Basierend auf diesen Strukturen wurden ballistische und quantenballistische Transportphänomene in Abhängigkeit der Kanallänge und dem Nanodrahtdurchmesser untersucht. Temperaturabhängige Messungen des spezifischen Widerstands und Gate-abhängige Leitfähigkeitsmessungen im Bereich zwischen 5K und 300K, haben einen quantisierten Stromtransport durch einzelne quasi-1D Subbänder nachgewiesen. Darüber hinaus, wurden die Transporteffekte im Temperaturbereich von 10K bis 2K untersucht. Hier war es möglich zu zeigen, dass ein kurzer Ge-Kanal die Charakteristik eines Single-Hole Transistors aufweist. Systematische Untersuchungen des Tunnelns einzelner Löcher ergaben ein Multi-Quantum-Dot System innerhalb des Ge-Segments, welches sich über die Gate-Spannung in ein Single-Quantum-Dot System überführen ließ. Des Weiteren, wurde das Temperaturregime von 1.5K bis 400mK untersucht, in dem ein ultra-skalierter Ge-Kanal, der an supraleitende Al-Zuleitungen gekoppelt ist, einem Josephson-Feldeffekttransistor entspricht. Hier konnte der experimentelle Nachweis für den Austauschs von Cooper-Paaren zwischen den supraleitenden Al-Kontakten durch den Gate-kontrollierbaren Ge-Kanal basierend auf dem supraleitenden Proximity-Effekt erbracht werden. Die Transportmessungen ergaben dabei einen einstellbaren kritischen Superstrom im Ge-Quantenpunkt bis zu ca. 20 nA.Metal-semiconductor-metal heterostructures are attractive for both fundamental studies of low-dimensional nanostructures as well as for future high-performance low power dissipating nanoelectronic and quantum devices. Most notably, they bear enormous potential for a vast array of key components for quantum computing such as SQUIDs, oscillators, mixers and amplifiers. In this context, combining high carrier mobilities and leveraging strong quantum confinement effects due to a more than five times larger exciton Bohr radius compared to Si, Ge occupies an exceptional position for the development of novel quantum devices in the post Si era. Within this thesis, it is shown that utilizing a thermally induced exchange reaction between single-crystalline Ge nanowires and Al pads, monolithic Al-Ge-Al nanowire heterostructures with ultra-small Ge segments contacted by self-aligned, quasi-1D, crystalline Al leads can be fabricated without lithographic constraints. High-resolution transmission electron microscopy and energy dispersive X-ray spectroscopy proved the composition and perfect crystallinity of the entire nanowire heterostructure. Integrating such Al-Ge-Al nanowire heterostructures as active channels in electrostatically gated field-effect transistor devices, provides a platform for the systematic investigation of electrical transport mechanisms in ultra-scaled Ge nanowires. In contrast to common short channel devices, the 1D monolithic metal-semiconductormetal architecture effectively prevents the screening of the gate electric field by lithographically defined contacts and thus enables perfect electrostatic control of ultra-scaled Ge channels. Based on these structures, ballistic transport as well as quantum ballistic transport phenomena were systematically investigated depending on the Ge channel length and nanowire diameter. Resistivity and gate-dependent conductance measurements as well as detailed bias spectroscopy studies in the temperature range between 5K and 300K revealed a current transport through spindegenerate 1D sub-bands in ultra-scaled Ge channels up to room temperature. The second part of the thesis is dedicated to the transport effects in the temperature range from 10K to 2K, where a small Ge channel reveals the characteristic of a single hole-transistor. Systematic investigations of single-hole tunnelling through Ge quantum dots revealed a complex charge trapping related multi-dot system near the pinch-off gate-voltage that evolves into a single-dot regime. The third set of experiments investigated the temperature regime from 1.5K to 400mK, where an ultra-scaled Ge channel coupled to superconducting Al leads, reassembles a Josephson field-effect transistor. The experimental proof of exchanging Cooper pairs between the superconducting Al leads and a gate-tunable Ge channel, mediated by the superconducting proximity effect enabled the first demonstration of superconductivity induced in a pure Ge channel. Gate-dependent transport measurements revealed a tunable critical supercurrent in the Ge quantum dot from zero to approximately 20 nA
Erforschung des Ladungsträgertransports in Si- und Ge-basierten Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren
Full text linkIn the quest to further increase the capabilities of modern transistors in terms of functional diversification and enhancing switching speeds as well as reducing energy consumption, Schottky barrier field-effect transistors (SBFETs) are a promising platform for nanoelectronic devices beyond static operation. Attributed to the incorporated metal-semiconductor junctions in SBFETs, a thorough understanding of the charge carrier transport is of utmost importance for emerging reconfigurable electronics. In this work, Si, Si1−xGex, and Ge nanowires (NWs) are contacted with single-crystalline and mono-elementary Al. The technology enabler to achieve the thereof obtained abrupt metal-semiconductor interfaces is a thermally driven solid-state metal-semiconductor exchange mechanism. Using multi-parameter current/voltage sweeps and temperature-dependent bias spectroscopy allowed a systematic investigation of the charge carrier transport and mechanisms in the proposed Al-group IV based SBFETs, where the Al-Si material system revealed symmetric n- and p-type Schottky barriers (SBs). In contrast, the Al-Si1−xGex and -Ge material systems exhibited dominant p-type conduction due to Fermi level pinning close to the valence band. Notably, bias spectroscopy allows the visualization of operation regimes, which cannot be accessed by single parameter sweeps. Using the gained insights of the charge carrier transport enabled the realization of the first-ever Al-Si based reconfigurable field-effect transistor (RFET), allowing dynamic altering between n- and p-type operation even during runtime. Further, bias spectroscopy allowed to determine optimal operation conditions of the proposed RFETs for their integration in a complementary inverter and wired-AND gate. Attributed to the inherently accessible negative differential resistance (NDR) in Al-Ge based SBFETs, the electronic transport of the NDR regime was analyzed, and NDR tenability was achieved by using a multi-gate architecture as well as creating cascade circuits. In this respect, overlapping NDR regions were obtained, required for the realization of NDR logic gates. Most notably, the realized devices and circuits complement conventional CMOS technology and further contribute to an increased functional density, and may become valuable building blocks for emerging computing paradigms such as artificial intelligence and neuromorphic electronic applications.Um die Fähigkeiten moderner Transistoren im Hinblick auf die Funktionsdiversifizierung und die Erhöhung der Schaltgeschwindigkeiten weiter zu steigern und den Energieverbrauch zu senken, sind Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) eine vielversprechende Plattform für adaptive nanoelektronische Bauelemente. Da SBFETs auf Metall- Halbleiter-Übergängen basieren, ist ein tiefes Verständnis des Ladungsträgertransports für rekonfigurierbare Elektronik von größter Bedeutung. In dieser Arbeit werden Si-,Si1−xGex- und Ge-Nanowires (NWs) mittels thermisch induziertem Metall-Halbleiter Austauschmechanismus über abrupte Metall-Halbleiter-Grenzflächen mit einkristallinen und monoelementarem Al kontaktiert. Die Verwendung von temperaturabhängigen Multi-Parameter-Strom-/Spannungs-Sweeps (Bias-Spektroskopie) ermöglichte eine systematische Untersuchung des Ladungsträgertransports und der zugrunde liegenden Mechanismen in den untersuchten SBFETs. Hierbei hat sich gezeigt, dass das Al-Si Materialsystem symmetrische Schottky-Barrieren (SBs) für Elektronen und Löcher aufwies. Im Gegensatz dazu wiesen die Al-Si1−xGex- und –Ge-Materialsysteme eine dominante p-Typ Leitung auf, die auf ein Pinning des Fermi-Niveaus nahe dem Valenzband zurückzuführen ist. Insbesondere ermöglicht die Bias-Spektroskopie die Visualisierung von Betriebsregionen, die durch einzelne Parameter-Sweeps nicht zugänglich sind. Die gewonnenen Erkenntnisse über den Ladungsträgertransport ermöglichten die Realisierung des ersten rekonfigurierbaren Feldeffekttransistors (RFET) auf Al-Si-Basis, der den dynamischen Wechsel zwischen n- und p-Betrieb sogar während der Laufzeit erlaubt. Darüber hinaus konnten die optimalen Betriebsbedingungen für RFETs und weiters für die Integration in einen komplementären Inverter und ein Wired-AND-Gate untersucht werden. Weiters, wurde der negative Differentialwiderstand (NDR) in Al-Ge-basierten SBFETs analysiert, und die NDR-Abstimmbarkeit durch die Verwendung einer Multi-Gate-Architektur sowie durch die Schaffung von Kaskodenschaltungen erreicht. In dieser Hinsicht wurden überlappende NDR-Bereiche erzielt, die für die Realisierung von NDR-Logikgattern erforderlich sind. Die realisierten Bauelemente und Schaltungen ergänzen die herkömmliche CMOS-Technologie und tragen zu einer höheren Funktionsdichte bei. Sie können zu wertvollen Bausteinen für neue Computerparadigmen wie künstliche Intelligenz und neuromorphe Elektronik werden
Rekonfigurierbare Si Feldeffekttransistoren mit kristallinen Al-Kontakten für adaptive komplementäre und kombinatorische Logik
Full text linkThe remarkable progress in electronics is marked by the continuous miniaturization of device sizes however, the ongoing scaling strategy, is not sustainable in the long term, as physical limits will be reached soon. Further, the increase in data processing requirements and the resulting complexity of signal routing on a chip has posed significant challenges in terms of raised power consumption and diminished reliability. In order to optimize the performance of information processing, it is crucial to introduce novel concepts. One potentially effective strategy involves the advancement of reconfigurable logic or neuromorphic devices. These reconfigurable field-effect transistors (RFETs) are characterized by their dynamic p- and n-channel switching behavior making them highly regarded as a potential breakthrough for future computer systems. RFETs offer the advantage over conventional complementary circuits that the transistor widths of n- and p-FETs do not need to be individually adjusted to achieve equal current densities, that enables the realization of multifunctional devices and dynamically reconfigurable complementary logic gates with a reduced number of devices compared to unipolar transistors. In this regard, this master thesis deals with the fabrication of reconfigurable Field-Effect Transistors (RFET) using a top-down approach on a silicon-on-insulator (SOI) wafer. The thermally induced metal-semiconductor exchange reaction of Al and Si resulting in the formation of the underlying Al-Si-Al heterostructure, is a crucial process for ensuring the reliable and consistent occurrence of an abrupt transition. This exchange reaction process is essential for reproduceable contacts with defined properties. Silicon dioxide (SiO2) serves as the gate dielectric, positioned between the semiconductor channel and the top gates. This material is chosen for its high purity and low charge carrier trapping, resulting in minimal hysteresis in the devices. Through a comprehensive statistical analysis, it is demonstrated that significant advancements have been made in key transistor parameters, such as the symmetry of on-currents from p-FET to n-FET. Moreover, these advancements have resulted in exceptional stability and reproducibility. Consequently, complementary logic gates could be manufactured using cascaded RFETs. The reconfigurability at the circuit level of an inverter comprised of two RFETs on a semiconductor nanostructure was effectively demonstrated. A reconfigurable MIN3-gate capable of dynamic switching between NAND/NOR operations was successfully implemented by integrating only three RFETs. An XOR/XNOR-gate with dynamic switching could be created using just four RFETs. Therefore, the quantity of devices can be decreased in comparison to circuits with traditional transistors. The gates possess a full-swing output voltage and share identical supply and signal voltages, indicating their potential to realize complex circuits and microprocessors with reconfigurable circuits
Adaptive analoge und digitale Schaltungen auf Basis rekonfigurierbarer Germaniumtransistoren
No full textRekonfigurierbare Feldeffekttransistoren (RFETs) auf Basis von Schottky-Kontakten bieten eine Polaritätssteuerung ohne Kanaldotierung, die ein NMOS/PMOS-Umschalten während der Laufzeit ermöglicht, und stellen daher ein vielversprechendes Bauelementkonzept für kompakte, adaptive und energieeffiziente elektronische Systeme dar. Germanium auf Silizium auf Isolator (GeSOI) bietet eine verbesserte Ladungsträgerinjektion, erfordert jedoch eine optimierte Kontakttechnik, um eine symmetrische Elektronen- und Lochinjektion zu erreichen. Diese Arbeit untersucht die technologische Entwicklung, das elektrische Verhalten und die Schaltungsfunktionalität der zweiten und dritten Generation von Al-Si-Ge Multi-Heterojunction-RFETs auf Basis der GeSOI-Plattform.Die Arbeit kombiniert Verbesserungen auf Fertigungsebene mit einer erweiterten Charakterisierungsmethodik. Um die Symmetrie und die elektrostatische Steuerung zu verbessern, wurden auf Festkörperaustausch basierende Al-Si-Ge Multi-Heterojunction und ein SiO2/ZrO2 Gate-Stack implementiert. Zur Bewertung der Übertragungseigenschaften, der On- Off-Verhältnisse, der Temperaturstabilität und des Schaltverhaltens wurden automatisierte Gleichstrom- und Transientenmessungen durchgeführt, darunter mehrdimensionale große Parametersweeps. Es wurden mehrere Schaltungskonfigurationen realisiert, darunter komplementäreInverter, Common-Source- und Common-Drain-Verstärker sowie ein rekonfigurierbares Transmission Gate.Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Weiterentwicklung von den Geräten der ersten Generation hin zu symmetrischen und leistungsstarken RFET-Schaltungen. Die dritte Generation erreicht eine nahezu ausgeglichene Leitung in NMOS und PMOS Modus, wobei sich Ip on/In on von 4.1 in der ersten Generation auf ≈ 0.88 verbessert und das On-to-Off- Verhältnis etwa sechs Dekaden beträgt. Die Verstärkung von Common-Source-Verstärkern stieg von nahezu Eins bei frühen Geräten auf Werte um 10 in der dritten Generation,während die Verstärkung von Common-Drain-Verstärkern bis zu 0,75 mit stabilen Arbeitspunkten erreichte. Das Transmission Gate zeigt korrektes bidirektionales Schalten, abstimmbare Dämpfung und reproduzierbares Übergangsverhalten mit einem effektiven Widerstand, der im Bereich von GΩ bis 100 kΩ einstellbar ist. Diese Ergebnisse etablieren die dritte Generation von GeSOI-RFETs als robuste Plattform für rekonfigurierbare analoge und gemischte Signalschaltungen. Die nachgewiesene Verstärkungsabstimmbarkeit, der symmetrische Betrieb und die bidirektionale Übertragungsfähigkeit unterstreichen die Vielseitigkeit von RFET-basierten Architekturen. Zu den verbleibenden Herausforderungen zählen Ladungseffekte und eine begrenzte dynamische Leistung, die durch eine verbesserte Passivierung, optimierte Dielektrika und eine verbesserte Messintegration gelöst werden können. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung komplexerer rekonfigurierbarer Schaltungen und adaptiver elektronischer Systeme auf Basis der RFET-Technologie.Reconfigurable field effect transistors (RFETs) based on Schottky contacts offer polarity control enabling runtime NMOS/PMOS switching without channel doping and therefore represent a promising device concept for compact, adaptive, and energy efficient electronic systems. Germanium on silicon on insulator (GeSOI) provides improved carrier injection but requires optimized contact engineering to achieve symmetric electron and hole injection. This work investigates the technological evolution, electrical behavior, and circuit functionality of the second and third generation of Al-Si-Ge multi-heterojunction RFETs based on the GeSOI platform. The study combines fabrication improvements with an extended characterization methodology. Solid-state exchange based Al-Si-Ge multi-heterojunction contacts and a SiO2/ZrO2 gate stack were implemented to improve symmetry and electrostatic control. Automated DC and transient measurements, including multidimensional large parameter sweeps, were performed to evaluate transfer characteristics, on-to-off ratios, temperature stability, and circuit performance. Several circuit configurations were realized, including complementary inverters, common source and common drain amplifiers, and a reconfigurable transmission gate.The results show a clear progression from the first generation devices toward symmetric and high performance RFET circuits. The third generation achieves nearly balanced conduction in both, the NMOS and PMOS mode, with Ipon/In on improving from 4.1 in the first generation to ≈ 0.88 and on-to-off ratios of approximately six decades. Common source amplifier gains increased from near unity in early devices to values around 10 in the third generation, while common drain gains reached up to 0.75 with stable operating points. The transmission gate demonstrates correct bidirectional switching, tunable attenuation, and reproducible transient behavior, with an effective resistance adjustable from the GΩ to the 100 kΩ range.These findings establish the third generation GeSOI RFET as a robust platform for reconfigurable analog and mixed signal circuits. The demonstrated gain tunability, symmetric operation, and bidirectional transmission capability highlight the versatility of RFET based architectures. Remaining challenges include charge trapping effects and limited dynamic performance, which may be addressed through improved passivation, optimized dielectrics, and enhanced measurement integration. The results provide a foundation for the development of more complex reconfigurable circuits and adaptive electronic systems based on RFET technology
Ge-basierte rekonfigurierbare Transistoren: Eine Plattform zur Realisierung von Bauelementen mit negativen differentiellem Widerstand
Full text linkWith information and communication technology being ubiquitous in everyday life, the functional diversification of transistors constitutes an alternative approach to deliver enhanced circuit performance beyond the limits imposed by miniaturization. In this sense, scaling is reaching physical limits, where doping-free reconfigurable field-effect transistors (RFETs) allow to overcome this limitation by combining programmable n- and p-type operation in a single device. Nowadays, RFET research focuses on further functional diversification and adaptability, which are disruptive approaches for advancing electronics beyond the static capabilities of conventional complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS)-based architectures. In this work, these two issues are targeted by utilizing monocrystalline and monolithic Al-Ge-based nanowire (NW) and nanosheet (NS) heterostructures. The main advantage of the Al-Ge system is its reliable and well-defined Schottky junction, whereas other metal-Ge junctions tend to form germanides, exhibiting high variability and thus often leading to unreliable electrical characteristics. Hence, an experimental procedure to evaluate the total effective activation energy to inject electrons and holes into the Ge channel is established. Further, nanometer-scale Ge departs from its bulk counterpart and delivers unique electronic transport mechanisms that can be exploited at the device level. Thereto, a highly interesting transport mechanism is the transferred-electron effect, enabling negative differential resistance (NDR). In this respect, the NDR characteristic was thoroughly investigated and characterized on the proposed material system. Analysis of more than twenty NW devices lead to profound relations between NDR performance metrics and the channel geometry. Evaluating different gate-architectures, an Al-Ge-Al-based RFET is accomplished as well as complemented with NDR-functionality, leading to a new type of device, the NDR-mode RFET, which comprises both mechanisms. In concerns of adaptability, a deterministic top-down fabrication scheme for RFETs was pending. Here, NSs fabricated from Germanium-on-Insulator (GeOI) substrates enable an opportunity to overcome this limitation, transferring the RFET-concept to this platform, and thus enabling the realization of deterministic top-down RFETs and to explore different gating-regions. The proposed device concepts may pave the way for future high-performance and low-operation-power circuits by enhancing the RFET and NDR mechanisms, even in a single type of device. The unique fusion of electron- and hole conduction together with NDR-expressivity in a universal Ge transistor holds the promise of enabling energy efficient reconfigurable circuits with mulit-valued operability that given their inherent adaptability represent prospective components for emerging artificial intelligence electronics.Die Informations- und Kommunikationstechnologie ist im täglichen Leben allgegenwärtig. Um weitere Performance-Steigerungen zu gewährleisten, stellt die funktionale Diversifizierung von Transistoren einen Ansatz dar, um elektronische Geräte zu verbessern und zu erweitern. Da zudem die Skalierung an die physikalischen Grenzen stößt, bieten dopingfreie rekonfigurierbare Feldeffekttransistoren (RFETs) eine Lösung an, diese Limitierung durch die Kombination eines programmierbaren n- und p-Typ-Betriebs in einem einzigen Bauelement zu gewährleisten. Heutzutage konzentriert sich die RFET-Forschung auf die funktionale Diversifizierung und Anpassungsfähigkeit, die bedeutende Lösungsansätze für die Weiterentwicklung der CMOS-basierten Elektronik über die statischen Fähigkeiten der konventionellen Architekturen hinaus darstellen. In dieser Arbeit werden diese beiden Themen durch die Verwendung von monokristallinen und monolithischen Al-Ge-basierten Nanodraht- (NW) und Nanosheet- (NS) Heterostrukturen kombiniert. Der Hauptvorteil des Al-Ge-Systems ist sein zuverlässiger und gut definierter Schottky-Übergang, während alle anderen bekannten Metall-Ge-Übergänge dazu neigen, Germanide zu bilden, deren Kontakteigenschaften stark von Prozessparametern abhängen und daher eine Vielzahl unterschiedlicher Phasen aufweisen. Daher wurde in dieser Arbeit die effektive Aktivierungsenergie zur Injektion von Elektronen und Löchern in den Ge-Kanal von Al-Ge-Al basierten FETs ermittelt. Weiters unterscheiden sich Ge-Strukturen im Nanometerbereich stark von Ge-Bulk, und ermöglichen elektronische Transportmechanismen, die auf Bauelementebene genutzt werden können. Ein hochinteressanter Transportmechanismus ist dabei der Transfer-Elektronen-Effekt, der einen negativen differentiellen Widerstand (NDR) ermöglicht, welcher im Al-Ge System untersucht und charakterisiert wurde. Die Analyse von mehr als zwanzig NW-Bauelementen führte zu tiefgreifenden Beziehungen zwischen NDR-Leistungsmetriken und der Kanalgeometrie. Durch die Evaluierung verschiedener Gate-Architekturen wird sowohl ein Al-Ge-Al-basierter RFET realisiert, als auch mit NDR-Funktionalität ergänzt, was einen NDR-Mode RFET ermöglicht. Im Hinblick auf die Anpassungsfähigkeit stand ein deterministisches Top-Down-Fertigungsschema für RFETs noch aus. Hier bieten NSs, die auf Germanium-on-Insulator (GeOI)-Substraten hergestellt werden, die Möglichkeit, diese Limitierung zu überwinden, das RFET-Konzept auf diese Plattform zu übertragen und so die Realisierung von deterministischen Top-Down-RFETs und die Erforschung verschiedener Gating-Regionen zu ermöglichen. Die hier präsentierten Bauelementekonzepte könnten den Weg für zukünftige hochleistungsfähige und stromsparende Schaltungen ebnen, da die einzigartige Verschmelzung von Elektronen- und Löcherleitung zusammen mit der NDR-Funktionalität in einem universellen Ge-Transistor endet. Dies könnte zu rekonfigurierbaren Schaltungen auf Basis mehrwertiger Logik führen, welche aufgrund ihrer Anpassungsfähigkeit potenzielle Komponenten für kompakte und energieeffiziente Elektronik für Systeme mit künstlicher Intelligenz darstellen
Rekonfigurierbare Feldeffekttransistoren basierend auf Aluminium-Silizium-Germanium-Heterostrukturen
Full text linkIn today’s world, data acquisition and processing systems as well as means of communication are ubiquitous, with a general trend towards increasingly powerful systems. In order to keep up with this trend, the transistor size has been down-scaled more and more, finally reaching physical limits. The implementation of alternative device concepts and the use of novel material systems, such as silicon-germanium or high-k dielectrics, are paving newways by also diversifying the overall functionality of the related transistors. In the light of this, in this thesis, a doping-free reconfigurable field-effect transistor (RFET) is fabricated out of a silicon-germanium containing wafer stack. The corresponding transistors are fabricated in a top-down fashion from the associated silicon-germanium-oninsulator (SGOI) initial wafers. In order to form the underlying metal-semiconductormetal heterostructure, in the case of this thesis, the aluminium-SiGe-aluminium, thermally activated diffusion of the aluminium (Al) into the semiconducting nanosheet is used resulting in a reliable, reproducible and abrupt transition. The passivation layer between its top-electrode configurations and the semiconductor channel is based either on a pure silicon dioxide (SiO2) or on a combination of silicon dioxide (SiO2) and the high-k dielectric hafnium dioxide (HfO2), depending on the fabricated sample. It has been shown that with a SiO2 and the associated low trap density at the interface between the channel and the top-electrode, the fabricated nanostructures exhibit significantly lower hysteresis than those samples with only a pure high-k dielectric as the insulating layer. Therefore, an extrasilicon capping layer has been added to the SiGe layer as a sacrificial layer in the used wafer stack. The realised Schottky barrier (SB)FETs, in the case of a single top electrode over both metal-semiconductor junctions, or the fabricated RFETs with three, four or five top electrodes are measured electrically, especially an in-depth bias spectroscopy investigation, in order to determine relevant characteristic properties of the created structures and in order to make a comparison with other existing RFET devices in literature. Considering the goal of this thesis, namely the realisation of an RFET with relatively higher on-state currents of the two operation modi with a sufficient on-state current symmetry, especially regarding the Si counterparts, the electrical characterisation of the fabricated structures provides remarkably results. The sample passivated with only SiO2 exhibits a on-state current symmetry of 2.2 with an insignificant hysteresis and, compared to the Al-Si-Al, relatively higher on-state and off-state currents for both operation types. A further improvement is made by using a combination of SiO2 and the high-k dielectric HfO2,where the hole-dominated on-state and the off-state current for both operation modi is enhanced, however, by the expense of the general on-state symmetry and a slightly higher hysteresis. In respect to the threshold voltage and the sub-threshold slope, the sample with the high-k dielectric obtains improved values, accordingly. Generally speaking, the presented material system and the related RFET structures fabricated in this thesis are showing the possibilities regarding energy-efficient and adaptive circuits for a broad field of applications, for instance in the field of hardware security or artificial intelligence
Kryogene Si- und SiGeSn-Schottky-Barriere-Feldeffekttransistoren
No full textDie Kryoelektronik gewinnt zunehmend an Bedeutung für Anwendungen wie Ausleseschaltungen in der Quanteninformatik sowie für die Datenverarbeitung bei tiefen Temperaturen, bei denen konventionelle dotierte CMOS-Technologien grundlegenden Einschränkungen unterliegen. Insbesondere Dotierstoff-Freeze-out, Bandflankenverbreiterung sowie ein ungünstiges Schwellenspannungsverhalten führen bei kryogenen Temperaturen zu einer deutlichen Verschlechterung der Bauelementeigenschaften. In dieser Arbeit werden Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) experimentell untersucht, wobei der Schwerpunkt auf ihrem Verhalten bei kryogenen Temperaturen liegt. Der Hauptfokus liegt auf siliziumbasierten rekonfigurierbaren Feldeffekttransistoren (RFETs), die durch eine elektrostatische Kontrolle der Metall-Halbleiter-Übergänge sowohl einen n- als auch einen p-Betrieb ermöglichen. Deren elektrische Eigenschaften werden im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 4.5 K hinsichtlich des Subthreshold-Swings, der Schwellenspannung, der Transkonduktanz sowie der Ein- und Ausschaltströme analysiert. Ergänzend dazu wird ein vergleichbarer SiGeSn-basierter p-SBFET mit einer Kanalzusammensetzung von 33% Silizium, 66% Germanium und 0.5% Zinn sowie Al2O3 als Gate-Dielektrikum untersucht, um den Einfluss eines alternativen Kanalmaterials und der Gate-Stack-Struktur auf das kryogene Bauelementverhalten zu bewerten. Für die Si-RFETs wird ein stabiler Betrieb sowohl im n- als auch im p-Modus über den gesamten untersuchten Temperaturbereich nachgewiesen. Beim Abkühlen zeigt sich für beide Betriebsarten eine deutliche Verbesserung des Subthreshold-Swings, wobei bei 4.5 K Werte von 24 mV/dec für den n-Betrieb und 27 mV/dec für den p-Betrieb extrahiert wurden. Die Analyse des stromabhängigen Subthreshold-Verhaltens offenbart unterschiedliche Transportregime, bei denen die thermionische Emission den Subthreshold-Bereich dominiert, während Tunnelprozesse im Einschaltzustand bei kryogenen Temperaturen mehr an Bedeutung gewinnen. Trotz des günstigen Subthreshold-Verhaltens verschiebt sich die Schwellenspannung der Si-RFETs mit abnehmender Temperatur in eine ungünstige Richtung, wodurch sich der Einschaltpunkt vom gewünschten Arbeitspunkt entfernt. Der SiGeSn-basierte SBFET zeigt bei kryogenen Temperaturen eine vergleichbare Verbesserung der Subthreshold-Eigenschaften, einschließlich einer starken Unterdrückung des Ausschaltstroms sowie eines steilen Subthreshold-Swings von etwa 23vmV/dec bei 5 K. Im Gegensatz zu den Si-RFETs verbessert sich die Schwellenspannung des SiGeSn-Bauelements beim Abkühlen, wobei, abhängig von der angelegten Drain-Source-Spannung, Reduktionen von bis zu 25% bzw. 50% beobachtet wurden. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass das kryogene Schwellenspannungsverhalten maßgeblich durch das verwendete Kanalmaterial und die Gate-Stack-Struktur beeinflusst wird und keine Eigenschaft von Schottky-Barrieren-Bauelementen darstellt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Schottky-Barrieren-basierte Transistoren ein robustes Betriebsverhalten bei kryogenen Temperaturen mit deutlich verbesserten Subthreshold-Eigenschaften aufweisen. Gleichzeitig wird deutlich, dass ein günstiges Schwellenspannungsverhalten weiterhin eine zentrale Herausforderung für Sibasierte RFETs darstellt, was zukünftige Arbeiten zur gezielten elektrostatischen Optimierung sowie zur Untersuchung alternativer Kanalmaterialien für energieeffiziente kryogene Elektronik motiviert.Cryogenic electronics is gaining increasing relevance for applications such as readout and control circuits for quantum qubits and low-temperature data processing, where conventional doped CMOS technologies suffer from fundamental limitations. In particular, dopant freeze-out, band-tail effects and an unfavourable threshold-voltage increase significantly degrade the device performance at cryogenic temperatures. In this thesis, Schottky-barrier field-effect transistors (SBFET) are experimentally investigated with a particular focus on their behaviour at cryogenic temperatures. The primary focus lies on Si-based reconfigurable field-effect transistors (RFETs), which enable both n-type and p-type operation by an electrostatic control of metal-semiconductor junctions. Their electrical characteristics are analyzed between the room temperature and 4.5 K with respect to subthreshold swing, threshold voltage, transconductance and on- and off-state currents. In addition, a similar SiGeSn-based p-SBFET with a channel composition of 33% silicon, 66% germanium, and 0.5% tin and Al2O3 as the gate dielectric is being investigated to evaluate the influence of an advanced channel material and gate stack structure on the behavior of cryogenic devices. For the Si RFETs, stable operation is demonstrated for both n-mode and p-mode over the entire investigated temperature range. Upon cooling, a pronounced improvement of the subthreshold swing is observed for both operation modes, reaching values of 24 mV/dec for n-type and 27 mV/dec for p-type operation at 4.5 K. An analysis of the current-dependent subthreshold behaviour reveals distinct transport regimes, with thermionic emission dominating the subthreshold region and tunneling processes becoming increasingly relevant in the on-state at cryogenic temperatures. Despite the favourable subthreshold swing, the threshold voltage of the Si RFETs shifts undesirable with decreasing temperature, moving the on-state away from the desired operating point. The SiGeSn SBFET exhibits a similar improvement of the subthreshold characteristics at cryogenic temperatures, including a strong suppression of the off-state current and steep subthreshold swings of approximately 23 mV/dec at 5 K. In contrast to the Si RFETs, the threshold voltage of the SiGeSn device improves upon cooling, with reductions of up to 25% and 50% depending on the applied drain bias. These results indicate that the cryogenic threshold-voltage is strongly influenced by the channel material system and the gate-stack structure rather than being a property of Schottky-barrier devices. Overall, this thesis demonstrates that Schottky-barrier based transistors provide robust cryogenic operation with strongly improved subthreshold behaviour. At the same time, the results highlight that achieving favourable subthreshold behaviour remains a key challenge for Si-based RFETs, motivating the future work on electrostatic optimization and alternative channel materials for low-power cryogenic electronic systems
- …
