Rekonfigurierbare Feld-Effekt Transistoren
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Derzeit werden weltweit eine Vielzahl von Forschungsansätze verfolgt, um die Leistung hochintegrierter Schaltkreise weiter zu steigern. Ein vielversprechender Ansatz besteht darin, die Funktionsfähigkeit auf der Bauelementebene zu erhöhen. Das heißt, anstatt nur einem durch die Technologie fest vorgegebenem Transistortyp (der als Schalter mit zwei logischen Zuständen fungiert), würden Bauelemente in ihrer Funktionalität bei Bedarf geändert werden können. Dies würde ermöglichen, bestimmte Bereiche eines Chips für die Implementierung verschiedener logischer Funktionen zu nutzen und auch Logik mit mehreren Ausgängen mit einer geringeren Anzahl von Transistoren zu realisieren (im Vergleich zu einer Implementierung in CMOS-Technologie). Entsprechende Bauelemente werden als rekonfigurierbare Transistoren bezeichnet, da ihre Funktion geändert bzw. rekonfiguriert werden kann, um sie als p-Typ oder n-Typ zu betreiben (und sogar so-genannte Band-zu-Band-Tunnel-FETs wären möglich). In der Literatur wurden bisher mehrere Implementierungen auf der Grundlage verschiedener Halbleiter demonstriert und charakterisiert. Allen gemeinsam ist jedoch ein großer Nachteil: Um die Rekonfigurierbarkeit zu ermöglichen, werden Ladungsträger aus einem Metall durch eine Schottky-Barriere in den Halbleiter injiziert. Um eine mehr oder weniger symmetrische Funktionalität für n- und p-Typ-Bauelemente zu erreichen, muss diese Schottky-Barriere in beiden Fällen der Elektronen- und Lochinjektion ähnlich sein, was die maximal erreichbaren Anströme beider Konfigurationen des Bauelements grundsätzlich stark beschränkt. Das Ziel des aktuellen Projekts war es, die Injektion durch eine Schottky-Barriere zu beseitigen und rekonfigurierbare, durch eine Gateelektrode steuerbare Kontakte zu ermöglichen. Zu diesem Zweck wurde ein Stapel aus dem Halbleiter (im vorliegenden Fall Silizium), einer ultradünnen Siliziumnitridschicht, die eine Oxidation des Siliziums verhindert und das so-genannte Fermi-Level-Pinning beseitigt, einer Monolage Graphen, gefolgt von einem Gate- Dielektrikum und einer Gate-Elektrode aufgebaut. Bei entsprechender Schichtdicke ist die obere Gate-Elektrode in der Lage, den Halbleiter (Silizium) durch den Feldeffekt zu manipulieren. Dies ist möglich, da die Graphenschicht eine sehr geringe Zustandsdichte um ihren Dirac-Punkt aufweist, so dass das elektrische Feld zwischen Silizium und Top-Gate nicht abgeschirmt wird. Bei ausreichend großen Gate-Spannungen werden jedoch auch die Leitungs- /Valenzbänder des Graphens energetisch verschoben, was zu einer annähernd linear steigenden Ladungsträgerdichte führt. Diese Ladungsträgerdichte schirmt den Gateeinfluss schließlich ab, macht das Graphen aber metallisch, so dass Ladungsträger durch das ultradünne Siliziumnitrid in den Halbleiter injiziert werden können. Bei ausreichend langem Kontakt und dünnem Siliziumnitrid ist eine exzellente Ladungsträgerinjektion zu erwarten. Die Realisierung des angestrebten Bauelements, d. h. eines Feldeffekttransistors mit einem rekonfigurierbaren Graphenkontakt, erforderte die Entwicklung einer Reihe von Prozessmodulen. Insbesondere ist die Bildung einer geeigneten, ultradünnen SiN-Schicht zur Absenkung des Fermi-Niveaus erforderlich. Zu diesem Zweck wurde eine Temperung in reinem Wasserstoff getestet. Zu den weiteren Prozessmodulen gehören geeignete Substrate, die aktive, voneinander elektrisch isolierte Bereiche aufweisen, aber auch die Sichtbarkeit von einer Monolage Graphen ermöglichen, der Transfer von Graphen und schließlich ein geeigneter Gate-Isolator, der aus Al2O3 besteht, welches durch Atomlagenabscheidung abgeschieden wird. Alle Prozessmodule konnten erfolgreich implementiert werden und ein Teil der Ergebnisse wurde in Fachzeitschriften veröffentlicht. Die Integration aller Prozessmodule in ein einziges Bauelement ist bisher gescheitert. Im Laufe des Projekts konnte jedoch eine weitere Anwendung der ultradünnen Siliziumnitridschichten identifiziert werden, nämlich die Oberflächenpassivierung von Silizium, um dessen Oxidation während der Abscheidung eines High-k-Gate-Dielektrikums zu verhindern. Interessanterweise führt Siliziumnitrid zwar zu einer Zustandsdichte an der Grenzfläche, die für die Elektronik bei Raumtemperatur ungünstig ist, eignet sich aber sehr gut für kryogene CMOS-Bauelemente, die ein hervorragendes Schaltverhalten aufweisen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Silicon Nitride Interface Engineering for the Realization of Dopant Free MOSFETs, Spring Meeting of the German Physical Society 2019
B. Richstein, L. Hellmich & J. Knoch
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Towards Dopant-free MOSFETs by Silicon Nitride Interface Engineering, Spring Meeting of the German Physical Society 2019
L. Hellmich, B. Richstein & J. Knoch
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Employing CMOS technology on silicon for a scalable electron-spin qubit architecture Bulletin APS 66 (2021)
J. Klos, B. Sun, J. Beyer, S. Kindel, L. Hellmich, J. Knoch & L. Schreiber
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Silicon Nitride Interface Engineering for Fermi Level Depinning and Realization of Dopant-Free MOSFETs. Micro, 1(2), 228-241.
Richstein, Benjamin; Hellmich, Lena & Knoch, Joachim
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Cryogenic Steep Slope Field-Effect Transistors. 2022 IEEE Silicon Nanoelectronics Workshop (SNW), 1-2. IEEE.
Knoch, J.; Richstein, B.; Han, Y.; Konig, D.; Frentzen, M.; Hellmich, L.; Klos, J.; Scholz, S. & Zhao, Q.T.
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Interface Engineering for Steep Slope Cryogenic MOSFETs Device Research Conference 2022
B. Richstein, Y. Han, L. Hellmich, J. Klos, L. Schreiber, Q.T. Zhao, S. Scholz & J. Knoch,
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Interface Engineering for Steep Slope Cryogenic MOSFETs. IEEE Electron Device Letters, 43(12), 2149-2152.
Richstein, B.; Han, Y.; Zhao, Q.; Hellmich, L.; Klos, J.; Scholz, S.; Schreiber, L. R. & Knoch, J.
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Miniaturized pH‐Sensitive Field‐Effect Capacitors with Ultrathin Ta2O5Films Prepared by Atomic Layer Deposition. physica status solidi (a), 219(8).
Molinnus, Denise; Iken, Heiko; Johnen, Anna Lynn; Richstein, Benjamin; Hellmich, Lena; Poghossian, Arshak; Knoch, Joachim & Schöning, Michael J.
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Steep Slope Transistors for Cryogenic Electronics”, Fall Meeting of the European Materials Research Society, Warsaw, 2022
J. Knoch, B. Richstein, Y. Han, D. König, M. Frentzen, N. Wilck, L. Hellmich, J. Klos, L. Schreiber, S. Scholz & Q.T. Zhao
