Electrostatic modulated Schottky and interband tunnelling in silicon nanowire heterostructure devices

Abstract

Charakteristische Abmessungen moderner Bauelemente, basierend auf konventionellen MOSFET-Struktueren, unterschritten zuletzt die 10 nm Marke, einer weiteren Verkleinerung sind jedoch natürliche Grenzen gesetzt. Die Erforschung von nicht-planaren Strukturen wie Nanodrähten in Verbindung mit unkonventionellen Ladungsträger-Transportmechanismen gilt gerade deshalb als besonders aussichtsreich. Im Rahmen dieser Arbeit wurden Silizium-Nanodrähte untersucht, die einen axialen n-Typ/intrinsisch Übergang aufweisen. Unter Einsatz von Nickelsilizid wurde ein selbst-justierter Schottky-Kontakt an der intrinsischen Seite hergestellt. Mit diesem Ansatz wird ein neuartiger Transistor basierend auf einer Doppel-Gate Struktur vorgestellt, der sowohl als n- als auch als p-Typ konfiguriert werden kann. Jedoch nicht nur der Transistortyp, auch die Art der Ladungsträgerinjektion kann durch Anlegen einer geeigneten Spannung eingestellt werden. Als p-Typ konfiguriert ist der dominante Mechanismus Interband-Tunneln, wobei bei einem ON/OFF-Verhältnis von 104 der inverse Stromanstieg 143 mV/dec erreichte. Außergewöhnlich ist hierbei, dass es sich um einen unkonventionellen Tunneltransistor handelt, da er in Vorwärtsrichtung betrieben und somit ambipolares Verhalten unterdrückt werden kann. Wird der Transistor als n-Typ konfiguriert, erfolgt die Ladungsträgerinjektion auf gewöhnlichem Weg mittels thermionischer Emission. Zusätzlich ist in Rückwärtsrichtung ein weiterer n-Typ Modus identifizierbar, bei dem Ladungsträger vorzugsweise durch die Schottky-Barriere tunneln. Die gute Kontrolle des Silizidierungsprozesses ermöglicht die Herstellung von bis zu 20 nm kurzen Kanälen, wodurch die Untersuchung von Stoßionisation bereits bei moderaten Spannungen durchführbar ist. Das Einsetzen von Stoßionisation kann durch die kritische Spannung beschrieben werden, die mit wachsenden Kanallängen und zunehmender Temperatur steigt.

The down-scaling of Si MOSFETs faces an insurmountable limitation when characteristic lengths reach the sub-10 nm regime. Alternative geometries and carrier injection mechanisms need to be exploited so that future devices continue to comply with Moore-s prognosis. In the scope of this work, experiments with silicon nanowires that feature an axial n-type/intrinsic doping junction have been conducted. A heterostructural device design was achieved by employing nickel-silicide as a source contact material. A reconfigurable device, built on a dual-gate structure, is proposed which allows to control whether the device acts as p- or n-type transistor. Not only the type but also the carrier injection mode can be altered by applying a suitable voltage at the two gate terminals. With a combined band-to-band and Schottky tunneling mechanism, in p-type mode a subthreshold swing as low as 143 mV/dec and an ON/OFF ratio of up to 104 was found. As the device operates in forward bias, a non-conventional tunnelling transistor is identified, enabling an effective suppression of ambipolarity. Depending on the drain bias, two different n-type confgurations are distinguishable. The carrier injection is dominated by thermionic emission in forward bias whereas in reverse bias a Schottky tunnelling mechanism allows for a n-type characteristic. Exploiting the properties of the silicidation process, short channels of down to 20 nm have been fabricated, enabling the investigation of impact ionisation at moderate voltages. The onset of impact ionisation, represented by the critical voltage, clearly increases with increasing channel length and temperature.