GeSn on SOI based Schottky barrier field-effect transistors with crystalline Al contacts

Abstract

Countless inventions and discoveries of modern civilization have shaped our everyday lives but none to such an extent as the field effect transistor in recent years and the accompanying consequences of technological progress. Modern applications show us thegreat demand for transistors: more transistors are needed in smaller areas with increased performance. For a long time, Moore’s Law, which states that the complexity of integrated circuits doubles every 12-24 months, could be taken as a forecast. However, the latest developments show that this rapid acceleration in complexity will no longer be achievable in the future using conventional methods.Although the first transistor was developed more than 70 years ago, the achievements of semiconductor technology are mainly responsible for the technological progress of the last decades. Today’s society as we know it with countless sensors around us, householdelectronics and industry would not be possible without transistors. With the constantfurther development of transistors and the accompanying ever smaller production, researchis slowly reaching the limits of physics. One approach to overcome this limit is to make the transistor more powerful by using a metal-semiconductor junction that influences electrical properties, so-called Schottky-Barrier Field Effect Transistors. A clear advantage of such a device is that there is no need for channel doping and expensive technological steps like ion implantation and high temperature annealings can be avoided.Such a representative of semiconductor-metal compounds can be realized with Germanium and Tin. This material composition brings numerous advantages. Among other things,the conductivity as well as the controllability can be drastically improved with a certain Germanium-Tin ratio, especially the direct band gap and thus the potential use in optoelectronics increases the interest in these electronic devices. This master thesis explores the possible implications of a germanium-tin junction for field-effect transistors and examinespotential applications and development opportunities. A major part of the thesisis the fabrication of the devices and the underlying process steps. The electrical characterization of the fabricated transistors are highlighted and representative conclusions are drawn and a final comparison between different GeSn ratios is made.

Unzählige Erfindungen und Entdeckungen der modernen Zivilisation prägen unseren Alltag aber keiner in solch einem Ausmaß wie der Feldeffekttransitor in den letzten Jahren und den damit einhergehenden Folgen des technologischen Fortschritts. Moderne Anwendungen zeigen uns den großen Bedarf an Transistoren: es werden mehr Transistoren auf kleineren Flächen benötigt mit steigender Leistungsfähigkeit. Lange Zeit konnte man Moores Gesetz, welches besagt, dass sich die Komplexität integrierter Schaltkreise alle 12-24 Monate verdoppelt, als Prognose zur Hand nehmen. Die jüngsten Entwicklungen zeigen allerdings, dass diese rasante Beschleunigung der Komplexität mit herkömmlichen Methoden künftig nicht mehr erreichbar sein wird. Obwohl der erste Transistor vor mittlerweile mehr als 70 Jahren entwickelt wurde, sind die Errungenschaften der Halbleitertechnologie hauptsächlich für den technologischen Fortschritt der letzten Jahrzehnte verantwortlich. Unsere heutige Gesellschaft so wie wir sie kennen mit unzähligen Sensoren um uns herum, Haushaltselektronik und die Industrie wäre ohne Transistoren gar nicht mehr vorzustellen. Mit der stetigen Weiterentwicklung von Transistoren und damit einhergehend die immer kleiner werdende Fabrikation stößt die Forschung langsam an die Grenzen der Physik. Eine Herangehensweise dieses Limit zu umgehen, ist die Transistoren leistungsfähiger zu machen indem ein Metall-Halbleiter Übergang zum Einsatz kommt, welche die elektrischen Eigenschaften beeinflusst, sogenannte Schottkybarrieren-Feldeffekttransistoren. Ein klarer Vorteil eines solchen Bauelements ist, dass keine Kanaldotierung erforderlich ist und teure technologische Schritte wie Ionenimplantation und Hochtemperatur glühen vermieden werden können. Ein solcher Vertreter von Halbleiter-Metall-Verbindungen kann mit Germanium und Zinn verwirklicht werden. Diese Materialzusammensetzung bringt zahlreiche Vorteile mit sich. Unter anderem kann die Leitfähigkeit und Steuerbarkeit mit einem gewissen Germanium-Zinn-Verhältnis drastisch verbessert werden. Insbesondere die direkte Bandlücke und damit die potentielle Anwendungen in der Optoelektronik machen dieses Bauteil besonders spannend. Diese Masterarbeit geht den möglichen Auswirkungen einer Germanium-Zinn-Verbindung für Feldeffekttransistoren nach und prüft mögliche Anwendungszwecke und Entwicklungsmöglichkeiten. Ein wesentlicher Bestandteil der Arbeit besteht in der Fabrikation der Bauteile weshalb die ausgeführten Schritte genau erklärt und eine Beschreibung der Prozessschritte dargelegt wird. Es wird die elektrische Charakterisierung der hergestellten Transistoren beleuchtet und repräsentative Schlüsse daraus gezogen sowie ein finaler Vergleich zwischen verschiedenen GeSn-Verhältnissen angestellt.