Graphen-basierte Triple-Gate-Plattformen für neuartige Tunnelfeldeffekt-Transistoren

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Stefan Tappertzhofen; Giovanni Zamborlini, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 524569125

Im Vergleich zu konventionellen Feldeffekttransistoren (FETs) ist es mit Hilfe von Tunnel-FETs (TFETs) prinzipiell möglich, Transistoren mit kleineren inversen Sub-Threshold-Slopes als 60 mV/Dekade bei Raumtemperatur herzustellen. Dadurch ergibt sich das Potential besonders niedriger Verlustleistungsaufnahmen. Idealerweise basiert der Ladungstransport in TFETs ausschließlich auf Band-zu-Band-Tunneln und der Energiefilterung im Boltzmann-Regime. Durch Anlegen geeigneter Spannung an nah beieinander liegenden vergrabenen Gate-Elektroden ist es möglich, variable Bandverläufe längs eines Halbleiterkanals elektrostatisch zu kontrollieren. Durch die Bandverläufe wird die Tunnelwahrscheinlichkeit beeinflusst. Allerdings ist die Fertigung einer solchen planaren Plattform mit vergrabenen und voneinander isolierten Gate-Kontakten (buried triple-gate, BTG) sehr aufwändig. Im Rahmen dieses Projekts soll ein neues Fertigungskonzept auf der Basis von Graphenlagen untersucht werden. Der große Vorteil des Konzepts ist, dass die Graphenlagen nahezu atomar dünn sind und so die Fertigung vertikaler sehr dünner Graphen/Oxid-Heterostrukturen ermöglichen. Das vorgestellte Konzept hat das Potential, scharfe elektrostatische Dotierprofile zu erzeugen, die ihrerseits zu scharfen Bandübergängen führen. Dies führt zu einer hohen Band-zu-Band-Tunnelwahrscheinlichkeit und damit einem steilen Anstieg des inversen Sub-Threshold-Slopes. Im Rahmen des Projekts sollen dabei Proof-of-Concept TFETs auf der Basis von niederdimensionalem WS2 hergestellt werden. Die Proben werden unteranderem mittels eines fortgeschrittenen und eigens dafür weiterentwickelten Analyseverfahren, der hochauflösenden in operando Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM), untersucht. Weitere Analyseverfahren umfassen 2D Raman Spektroskopie, in situ Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und die elektrische Charakterisierung in einem Temperaturbereich von 8 K bis 500 K. Das vorgeschlagene Konzept ist vielseitig einsetzbar und eignet sich zur Integration einer Vielzahl von 1D- und 2D-Halbleitermaterialien.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Großbritannien
• Kooperationspartner: Professor Dr. Stephan Hofmann