Exploration of charge carrier transport in Si and Ge based Schottky barrier field-effect transistors

Abstract

In the quest to further increase the capabilities of modern transistors in terms of functional diversification and enhancing switching speeds as well as reducing energy consumption, Schottky barrier field-effect transistors (SBFETs) are a promising platform for nanoelectronic devices beyond static operation. Attributed to the incorporated metal-semiconductor junctions in SBFETs, a thorough understanding of the charge carrier transport is of utmost importance for emerging reconfigurable electronics. In this work, Si, Si1−xGex, and Ge nanowires (NWs) are contacted with single-crystalline and mono-elementary Al. The technology enabler to achieve the thereof obtained abrupt metal-semiconductor interfaces is a thermally driven solid-state metal-semiconductor exchange mechanism. Using multi-parameter current/voltage sweeps and temperature-dependent bias spectroscopy allowed a systematic investigation of the charge carrier transport and mechanisms in the proposed Al-group IV based SBFETs, where the Al-Si material system revealed symmetric n- and p-type Schottky barriers (SBs). In contrast, the Al-Si1−xGex and -Ge material systems exhibited dominant p-type conduction due to Fermi level pinning close to the valence band. Notably, bias spectroscopy allows the visualization of operation regimes, which cannot be accessed by single parameter sweeps. Using the gained insights of the charge carrier transport enabled the realization of the first-ever Al-Si based reconfigurable field-effect transistor (RFET), allowing dynamic altering between n- and p-type operation even during runtime. Further, bias spectroscopy allowed to determine optimal operation conditions of the proposed RFETs for their integration in a complementary inverter and wired-AND gate. Attributed to the inherently accessible negative differential resistance (NDR) in Al-Ge based SBFETs, the electronic transport of the NDR regime was analyzed, and NDR tenability was achieved by using a multi-gate architecture as well as creating cascade circuits. In this respect, overlapping NDR regions were obtained, required for the realization of NDR logic gates. Most notably, the realized devices and circuits complement conventional CMOS technology and further contribute to an increased functional density, and may become valuable building blocks for emerging computing paradigms such as artificial intelligence and neuromorphic electronic applications.

Um die Fähigkeiten moderner Transistoren im Hinblick auf die Funktionsdiversifizierung und die Erhöhung der Schaltgeschwindigkeiten weiter zu steigern und den Energieverbrauch zu senken, sind Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) eine vielversprechende Plattform für adaptive nanoelektronische Bauelemente. Da SBFETs auf Metall- Halbleiter-Übergängen basieren, ist ein tiefes Verständnis des Ladungsträgertransports für rekonfigurierbare Elektronik von größter Bedeutung. In dieser Arbeit werden Si-,Si1−xGex- und Ge-Nanowires (NWs) mittels thermisch induziertem Metall-Halbleiter Austauschmechanismus über abrupte Metall-Halbleiter-Grenzflächen mit einkristallinen und monoelementarem Al kontaktiert. Die Verwendung von temperaturabhängigen Multi-Parameter-Strom-/Spannungs-Sweeps (Bias-Spektroskopie) ermöglichte eine systematische Untersuchung des Ladungsträgertransports und der zugrunde liegenden Mechanismen in den untersuchten SBFETs. Hierbei hat sich gezeigt, dass das Al-Si Materialsystem symmetrische Schottky-Barrieren (SBs) für Elektronen und Löcher aufwies. Im Gegensatz dazu wiesen die Al-Si1−xGex- und –Ge-Materialsysteme eine dominante p-Typ Leitung auf, die auf ein Pinning des Fermi-Niveaus nahe dem Valenzband zurückzuführen ist. Insbesondere ermöglicht die Bias-Spektroskopie die Visualisierung von Betriebsregionen, die durch einzelne Parameter-Sweeps nicht zugänglich sind. Die gewonnenen Erkenntnisse über den Ladungsträgertransport ermöglichten die Realisierung des ersten rekonfigurierbaren Feldeffekttransistors (RFET) auf Al-Si-Basis, der den dynamischen Wechsel zwischen n- und p-Betrieb sogar während der Laufzeit erlaubt. Darüber hinaus konnten die optimalen Betriebsbedingungen für RFETs und weiters für die Integration in einen komplementären Inverter und ein Wired-AND-Gate untersucht werden. Weiters, wurde der negative Differentialwiderstand (NDR) in Al-Ge-basierten SBFETs analysiert, und die NDR-Abstimmbarkeit durch die Verwendung einer Multi-Gate-Architektur sowie durch die Schaffung von Kaskodenschaltungen erreicht. In dieser Hinsicht wurden überlappende NDR-Bereiche erzielt, die für die Realisierung von NDR-Logikgattern erforderlich sind. Die realisierten Bauelemente und Schaltungen ergänzen die herkömmliche CMOS-Technologie und tragen zu einer höheren Funktionsdichte bei. Sie können zu wertvollen Bausteinen für neue Computerparadigmen wie künstliche Intelligenz und neuromorphe Elektronik werden.