A Germanium on silicon on insulator based reconfigurable transistor platform

Abstract

In our modern world where more and more data is collected, the computational performanceto process this information must also steadily increase. To keep up with rising demand, the transistor size is reduced to a point where the physical limitations are reached. To counteract these limitations, the use of novel material systems and the implementation of alternative device concepts are investigated. With this research the way is paved for a diversification of the functionalities of transistors. In this thesis, a doping-free reconfigurable field-effect transistor (RFET) is fabricated. For this RFET a germanium (Ge) on silicon on insulator (SOI) wafer is used and is fabricated in a top-down fabrication. The Ge on SOI platform enables the advantages of Ge as semiconductor like the high hole mobility and bypasses the expensive and difficult to produce Ge on insulator technology. As contact material aluminium (Al) is used. The Al is thermally diffused in the semiconducting nanosheet, exchanging the semiconductorand forming a metal-semiconductor-metal heterostructure. Different passivation layers between the top-electrode and the semiconducting channel were investigated. Either a pure thermal silicon dioxide (SiO2) or a combination of SiO2 and a high-k dielectric like hafnium dioxide (HfO2) and zircon dioxide (ZrO2) have been tested. The SiO2 is expected to have a low trap density at the interface between the channel and the top-electrode. Indeed, if a combination of SiO2 and high-k dielectric is used, the nanostructure has a lower hysteresis than with a pure high-k dielectric. To form the SiO2, the silicon capping layer on top of the Ge layer is used as sacrificial layer. There are two types of transistors fabricated and electrically measured in this work. The first is a Schottky barrier FET (SBFET) with only one top-gate. The second is a RFET with three independent top-gates. By using an extensive bias spectroscopy investigation the relevant characteristic properties of the fabricated structures are determined and compared to other existing RFET devices. The goal of this thesis was to realise a RFET with a enhanced on-state conductance for both the n- and p-operation mode. Furthermore, the temperature stability of the RFET should be improved and the possibility to obtain a negative differential resistance (NDR) mode at room temperature should be investigated. The sample with the pure SiO2 passivation has a high on-state current symmetry and a low hysteresis, but at temperatures above 50°C, the p-mode degrades strongly and shows a significant hysteresis. With the addition of HfO2 in the passivation the on-state current symmetry worsens a little, but the hysteresis is still very low and the devices become temperature stable. The downside is that here the top-gate voltages must be higher to control the RFET. Finally, with theaddition of ZrO2 to the passivation on-state current symmetry is even better than with SiO2 and the device is as temperature stable as with HfO2 with a low hysteresis. Additionally the top-gate supply voltages are also the same as for pure SiO2. The presented RFETs based on Ge on SOI are showing the possibility to enable the design of high-performance adaptive circuits and therefore an increase of logic functions per chip. Beyond CMOS capabilities could potentially also be realised, for example for hardware security or artificial intelligence applications.

In unserer modernen Welt in der immer mehr Daten gesammelt werden, muss die Rechenleistung zur Verarbeitung dieser stätig erhöht werden. Um mit diesem steigenden Leistungsbedarf mitzuhalten wurde die Transistorgröße zu einem Punkt reduziert, an demphysikalichen Limitationen erreicht wurden. Um diesen entgegenzuwirken, wurde die Verwendung von neuen Materialsystemen und alternativen Devicekonzepten erforscht. Mitdieser Forschung wurde der Weg für eine diversifikation der Funktionalitäten von Transistorengeschaffen. In dieser Masterarbeit wird ein dotierungsfreier rekonfigurierbarer Feldeffekttransistor (RFET) gefertigt. Die RFETs werden in einer top-down Fertigung auf einem Germanium (Ge) auf Silizium auf Isulator (SOI) Wafer hergestellt. Die Ge auf SOI Platform erlaubt die Vorteile von Ge, wie die hohe Löcherbeweglichkeit, zu nutzen und die teure und schwer herzustellende Ge auf Isulator Technologie zu umgehen. Das als Kontaktmaterial verwendete Aluminium (Al) wird thermisch in die halbleitende Nanostruktur diffundiert, ersetzt dort den Halbleiter und formt eine Metall-Halbleiter-Metall Heterostruktur. Verschiedene Passivierungsschichten zwischen Top-Elektrode und Halbleiterkanal wurden untersucht. Entweder aus reinem Siliziumdioxid (SiO2) oder eine kombination aus SiO2 und Highk-Dielektrika wie Hafniumdioxid (HfO2) und Zirkondioxid (ZrO2) wurden getestet. Das SiO2 weist eine geringe Störstellendichte am Interface zwischen Kanal und Top-Electrode auf. Wird eine Kombination von SiO2 und High-k-Dielectrikum verwendet, dann hat die Nanostruktur eine geringere Hysterese als mit einem reinen High-k-Dielektrikum. Um dieses SiO2 zu erhalten wird die Silizum-Kappe auf dem Ge als Opferschicht verwendet. Es wurden zwei Arten von Transistoren in dieser Arbeit gefertigt und elektrisch vermessen. Erstere ist ein Schottky Barrieren FET (SBFET) mit nur einer Top-Elektrode. Zweitere ist ein RFET mit drei Top-Elektroden. Über die Bias-Spektrokopie-Analyse wurden die relvanten Charakteristika der gefertigten Strukturen bestimmt, diese können dann mit bereits existierenden RFETs verglichen werden. Das Ziel dieser Materarbeit war RFETs zu realisieren, die eine verbesserte On-State Konduktanz für sowohl den n- als auch den p-Operationsmodus aufweisen. Es sollte die Temperaturstabilität der RFETs verbessert werden und ob ein negativer differentieller Widerstand (NDR) Modus bei Raumtemperatur möglich ist, untersucht werden. Die Probe mit reiner SiO2-Passivierung hatte eine gute On-State-Strom-Symmetrie und eine geringe Hysterese, aber bei Temperaturen über 50°C degradiert der p-Mode stark und zeigt eine große Hysterese. Mit dem Hinzufügen von HfO2 in die Passivierung wird die On-State-Strom-Symmetrie etwas schlechter bei klein bleibender Hysterese und vorhandener Temperaturstabilität. Um den RFET voll auszusteuern müssen allerdings die Top-Gate-Spannungen erhöht werden. Mit der Ergänzung von ZrO2 zur Passivierung wurde die On-State-Strom-Symmetrie besser und das Device ist genau so temperaturstabil wie mit HfO2 bei einer immer noch geringen Hysterese. Zusätzlich sind die Top-Gate-Spannungen so gering wie bei reinem SiO2. Die präsentierten RFETs, basierend auf Ge auf SOI, zeigen die Möglichkeit zum Desing adaptiver Schaltungen die in breiten Anwendungsfeldern wie zum Beispiel in der Hardware-Sicherheit oder der künstliche Intelligenz eingesetzt werden können.