Si to SiGe heterostructure transistors for reconfigurable circuits and functionality enhancement via ferroelectric gating

Abstract

Adaptive computing presents a promising solution to meet the increasing computational demands of artificial intelligence (AI), while addressing the challenges of traditional hardware scaling. In this context, reconfigurable field-effect transistors (RFETs) can overcome the limitations of the static nature of CMOS technology by dynamically adapting the hardware to enable more resource-efficient computing and optimize device performance. RFETs, a special form of Schottky barrier FETs, combine the functionality of n- and p type transistors in a single device that can be electrostatically switched during operation. As a technology enabler, a novel thermal heterostructure formation technique between Al and Si nanosheets is presented in this work. Thereby, abrupt, single-elementary and single-crystalline Al-Si Schottky junctions are monolithically formed, showing symmetric injection of electrons and holes, ideal for the realization of RFETs with symmetric current voltage operation modes. The Al contact formation is also conducted towards Si1−xGex nanosheets, where similar structural properties without intermetallic phase formations are achieved. The transport properties are systematically investigated with respect tothe stoichiometric Si1−xGex composition, ranging from highly transparent contacts to distinct Schottky barriers, offering potential for a variety of emerging "More than Moore"applications. The realized Al-Si heterostructure-based RFETs exhibited highly symmetric n- and p mode operation with low device-to-device variability. This enabled the realization of RFET-based complementary and combinational logic gates, including inverter and runtime switchable NAND/NOR and XOR/XNOR gates. Compared to conventional circuits with static transistors, an increased functionality of the logic circuits is achieved while simultaneously reducing the transistor count. The reliable operation of the logic gates is demonstrated using only a single pair of symmetric supply rails, achieving full output swing andstable state current suppression. Finally, a fully operational 1-bit full adder based on only 8 physically identical RFETs is also demonstrated. By integrating a Si0.67Ge0.33 channeland high-κ dielectrics, or implementing multi-channel devices, performance enhancements of the individual RFETs are obtained without severely compromising device symmetry. To achieve non-volatile programming of the operation state, ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2(HZO) layers are integrated into the RFET gate stack. By polarizing the HZO in the vicinity of the Schottky junction with short voltage pulses, time-stable switching between fully p-type conduction and n-dominant operation is achieved. The modulation strength of the HZO is strongly dependent on the pulse amplitude, allowing access to drive currents associated with multiple polarization states whose stability is verified by retention measurements.This functionality is highly promising for the realization of artificial synapses for neuromorphic computing paradigms. Finally, the combination of RFETs with non-volatilememory capabilities can be an ideal building block to enable versatile Logic-in-Memory hardware to overcome the limitations of "von Neumann" architectures.

Adaptives Computing stellt eine vielversprechende Lösung dar, um den steigenden Leistungsanforderungen von künstlicher Intelligenz gerecht zu werden und gleichzeitig die Herausforderungen der traditionellen Hardwareskalierung zu bewältigen. In diesem Zusammenhang können rekonfigurierbare Feldeffekttransistoren (RFETs) die Grenzen der statischen CMOS-Technologie überwinden, indem Hardware dynamisch angepasst wird, um ressourceneffizienteres Rechnen zu ermöglichen und die Geräteleistung zu optimieren. RFETs vereinen dabei die Funktionalität von n- und p-Typ Transistoren in einem einzigen Bauelement, dessen Polarität im Betrieb elektrostatisch umgeschaltet werden kann. Zur Fertigung dieser Transistoren wird hier eine neuartige Methode zur Bildung monolithischer Heterostrukturen präsentiert, die auf einer thermisch induzierten Austauschreaktion von Al und Si Nanostrukturen basiert. Dadurch entstehen abrupte, monoelementare und einkristalline Al-Si Schottky-Übergänge, die eine symmetrische Injektion von Elektronenund Löchern ermöglichen, ideal für die Realisierung von RFETs mit symmetrischen Betriebsmodi. Die thermische Austauschreaktion mit Al kann auch auf Si1−xGex Nanostrukturen erweitert werden, mit ähnlichen Struktureigenschaften und ebenfalls ohne Bildung intermetallischer Phasen. Die elektrischen Transporteigenschaften in den dadurch hergestellten Al-Si1−xGex Heterostrukturen werden systematisch in Bezug auf ihre stöchiometrische Zusammensetzung untersucht. Diese reichen von hochtransparenten Kontaktenfür Ge bis hin zu ausgeprägten Schottky-Barrieren für SiGe, mit Potenzial für eine Vielzahl neuartiger „More than Moore“-Anwendungen. Basierend auf Al-Si Heterostrukturen werden RFETs gefertigt, die einen hochsymmetrischen n- und p-Betrieb zeigen. Das ermöglicht die Realisierung von RFET-basierten komplementären und kombinatorischen Logikgattern, darunter Inverter-, und rekonfigurierbaren NAND/NOR- und XOR/XNOR-Gatter. Im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen mit statischen Transistoren wird damit eine erhöhte Funktionalität bei gleichzeitiger Reduzierung der Anzahl der Transistoren erreicht. Unter Verwendung einer symmetrischen Versorgungsspannung wird der zuverlässige Betrieb der Logikgatter unter voller Aussteuerung des Ausgangs und guter Stromunterdrückung im stationären Zustand gezeigt. Basierend auf nur 8 physisch identischen RFETs wird zudem ein voll funktionsfähiger 1-Bit Volladdierer demonstriert. Durch die Integration eines Si0.67Ge0.33-Kanals und high-κ Dielektrika, oder der Implementierung von Mehrkanal-Bauelementen wird die Leistungssteigerung der einzelnen RFETs angestrebt, ohne die Symmetrie der Bauelemente stark zu beeinträchtigen. Um eine nichtflüchtige Programmierung des Betriebszustands zu erreichen, wird eine ferroelektrischeHf0,5Zr0,5O2 (HZO) Schicht in den Gate-Stapel integriert. Durch kurze Spannungsimpulse am Gate wird das HZO in der Nähe des Schottky-Übergangs polarisiert, wodurch zwischen p- und n-dominantem Betrieb umgeschaltet werden kann. Die Modulations des HZOs ist dabei stark von der Pulsamplitude abhängig und ermöglicht das Einstellen der Drainströme unter der Nutzung mehreren Polarisationszuständen, deren Stabilität durch Langzeitmessungen verifiziert wurde. Diese Funktionalität ist sehr vielversprechend für die Realisierung künstlicher Synapsen für neuromorphe Computerparadigmen. Weiters kann die Kombination von RFETs mit nichtflüchtigen Speicherfähigkeiten eine wertvolle Komponente für die Realisierung von adaptiver "Logic-in-Memory"-Hardware sein, um die Einschränkungen der "von Neumann"-Architekturen zu überwinden.