Passivierung von n-Ge Nanostrukturen für neuartige Ge Nanotransistoren

Abstract

Die kontinuierliche Verbesserung von High-k-Dielektrika ist von entscheidender Bedeutung für die Leistungsfähigkeit moderner MOSFETs, insbesondere im Hinblick auf die Reduktion von Leckströmen und die Verbesserung der Ladungsträgermobilität. Ziel dieser Arbeit war es, die elektrischen Eigenschaften verschiedener High-k-Materialien zu untersuchen und deren Eignung als Gate-Dielektrika in MOSFETs auf Germanium-Substraten zu bewerten. Hierbei lag ein besonderer Fokus auf den Interaktionen zwischen den Dielektrika und dem Substrat, um die Stabilität und Effizienz dieser Materialien für künftige Anwendungen zu beurteilen.Im ersten Teil der Arbeit wurden die Materialien Hafniumdioxid (HfO2), Zirkoniumdioxid (ZrO2), Hafniumnitrid (HfN) und Aluminiumnitrid (AlN) hinsichtlich ihrer Frequenzabhängigkeit, Defektdichte und Grenzflächenqualität analysiert. Die Ergebnisse zeigen, dass HfO2 und ZrO2 eine höhere Frequenzabhängigkeit und eine größere Anzahl von Ladungsfallen aufweisen, was zu instabileren elektrischen Eigenschaften führt. AlN und HfN hingegen bieten eine stabilere Performance aufgrund geringerer Defektdichten, wobei AlN die beste Grenzflächenqualität aufweist. Im zweiten Teil der Arbeit wurde Al2O3 und AlN als potenzielles Gate-Dielektrikum für Ge Nanodraht Schottky-Barrieren Feld-Effekt Transistoren (SBFETs) verglichen. Al2O3 zeigte eine höhere Leitfähigkeit und eine stärkere Modulation der Schottky-Barrierenhöhe. AlN hingegen zeichnete sich durch eine stabilere elektrische Leistung, niedrigere Leckströme und eine bessere Ladungsträgermobilität aus, was es für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Zuverlässigkeit und Konsistenz prädestiniert. Dadurch hat sich AlN als vielversprechender Kandidat für den Einsatz in zukünftigen Hochleistungs-MOSFET-Anwendungen positioniert und bietet eine solide Grundlage für weitere Forschungsarbeiten zur Materialoptimierung und Prozessentwicklung. Diese Erkenntnisse bieten wertvolle Einsichten für die gezielte Auswahl von High-k-Materialien, um die Effizienz und Zuverlässigkeit von MOSFETs in zukünftigen Halbleitertechnologien zu optimieren.

The continuous optimization of high-k dielectrics is crucial for enhancing the performance of modern MOSFETs, particularly in reducing leakage currents and improving charge carrier mobility. The objective of this work was to investigate the electrical properties of various high-k materials and evaluate their suitability as gate dielectrics in MOSFETs. This placed a particular focus on the interactions between the dielectrics and the substrate to evaluate the stability and efficiency of these materials for future applications.In the first part of the study, hafnium dioxide (HfO2), zirconium dioxide (ZrO2), hafnium nitride (HfN), and aluminum nitride (AlN) were analyzed with respect to their frequency dependence, defect density, and interface quality. The results indicate that HfO2 and ZrO2 exhibit higher frequency dependence and a greater number of charge traps, leading to more unstable electrical characteristics. Conversely, AlN and HfN demonstrated more stable performance due to lower defect densities, with AlN showing the best interface quality.In the second part of the work, Al2O3 and AlN are compared as a potential gate dielectric for Ge nanowire based Schottky barrier field-effect transistors (SBFETs). Al2O3 exhibited higher conductivity and stronger modulation of the Schottky barrier height. AlN, on the other hand, offered more stable electrical performance, lower leakage currents, and better charge carrier mobility, making it well-suited for applications requiring high reliability and consistency.This positions AlN as a promising candidate for use in future high-performance MOSFET applications and provides a solid foundation for further research on material optimization and process development. These findings offers valuable insights for the targeted selection of high-k materials to optimize the efficiency and reliability of MOSFETs in future semiconductor technologies.