Modulations-Akzeptordotierung von Silicium-Germanium-Verbindungen für Junctionless-Nanodrahttransistoren (MAcDope-SiGe)

• Antragsteller: Professor Dr. Daniel Hiller
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 564400083

Silicium-Germanium (SiGe, Si_xGe_1-x) ist ein Verbindungshalbleiter, der insbesondere für den Kanal von PMOS Transistoren in vielen elektronischen Bauelementen zum Einsatz kommt. Im Gegensatz zu reinem Si weist SiGe eine wesentlich höhere Ladungsträgerbeweglichkeit für Löcher auf, was sowohl schnellere Schaltoperationen als auch höhere Ströme durch den Transistor ermöglicht. Insbesondere im notwendigerweise hochdotierten Source/Drain Bereich der Feldeffekt-Transistoren ist die Löcherbeweglichkeit allerdings durch die konventionelle Verunreinigungsdotierung erheblich reduziert, da die Löcher an den ionisierten Akzeptorelementen streuen. Aus Sicht des Drude-Modells sinkt die elektrische Leitfähigkeit durch eine reduzierte Beweglichkeit und der erhöhte elektrische Widerstand verursacht Energieverluste durch Wärmedissipation. In Anbetracht von Milliarden von Transistoren pro Chip in unzähligen alltäglichen Geräten ist dieser Energieverlust global gesehen beträchtlich. Andererseits sind bestimmte Transistorkonzepte in ihrer Funktionalität gleichzeitig auf hohe Ladungsträgerdichten und -beweglichkeiten angewiesen, wie z.B. p/n-Junctionless-Nanodrahttransistoren, was sich mit Verunreinigungsdotierung nicht realisieren lässt. Unabhängig davon stellt die Skalierung der Transistoren, hin zu immer kleineren Strukturgrößen im einstelligen Nanometerbereich, die Verunreinigungsdotierung ganz generell vor grundlegende physikalische und technische Hindernisse. Im Projekt MAcDope-SiGe wollen wir eine neuartige Dotierungsmethode erforschen, die hohe Ladungsträgerdichten (Löcher) bei nahezu intrinsisch hoher Löcherbeweglichkeit ermöglicht. Dazu wird das kürzlich erfolgreich für reine Si-Nanodrähte demonstrierte Konzept der SiO2-Modulationsakzeptordotierung auf den Verbindungshalbleiter SiGe übertragen. Dabei werden die Akzeptoratome räumlich vom zu dotierenden Bereich getrennt, d.h. nicht substitutionell ins SiGe-Gitter eingebaut, sondern in eine angrenzende SiO2 Schicht. Bestimmte trivalente Elemente erzeugen im SiO2 einen unbesetzten Zustand energetisch unterhalb der SiGe Valenzbandkante. Wenn ein Elektron aus dem SiGe in diesen Zustand relaxiert, entsteht im SiGe ein Loch als Majoritätsladungsträger (äquivalent zur p-Dotierung). Mit steigendem Ge-Anteil im SiGe steigt die Löchermobilität, jedoch verschiebt sich auch die Energie der Valenzbandkante, was sich kritisch auf die Modulationsakzeptordotierung auswirken könnte. In einem proof-of-concept Experiment konnten wir kürzlich nachweisen, dass sich Testbauelemente aus ultradünnen Si0.67Ge0.33 Schichten erfolgreich modulationsdotieren lassen. Nun wollen wir mittels Niedertemperatur-Molekularstrahlepitaxie (MBE) gewachsene SiGe Schichten mit höheren Ge-Konzentrationen, bis hin zum reinen Ge, untersuchen und die physikalischen Grenzen der Modulationsakzeptordotierung an diesem Materialsystem erforschen. Zum Projektabschluss wollen wir einen modulationsdotieren, Junctionless-SiGe-Nanodrahttransistor demonstrieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Australien, Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Moritz Brehm; Dr. Dirk König; Professor Dr.-Ing. Walter Michael Weber