Ge-based reconfigurable transistors: a platform enabling negative differential resistance

Abstract

With 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.