Reconfigurable Schottky barrier FETs and their logic gates based on Si-nanowires with Al contacts

Abstract

”More Moore” is the motto of modern transistors, driving development toward space reduction, energy consumption reduction, and increased performance. Beyond this concept ”Beyond CMOS” targets the integration of added functionality with conventional CMOS . To this end, a promising candidate in nanoelectronics has been developed within the framework of this thesis, featuring unique reconfiguration capabilities based on Schottky barrier field-effect transistors (SBFETs), which enable dynamic switching between n- and p-type during operation. Achieving a high-performance SBFET requires in-depth knowledge of the electrical transport and operational capabilities of the central element, the Schottky barrier contact. In this work, a metal-semiconductor heterostructure composed of bottom-up synthesized vapor-liquid-solid silicon nanowires and single-crystalline aluminum contacts is implemented, resulting in sharp Schottky contacts through thermally induced solid-state Al-Si exchange. Various current-voltage (I-V) measurements, temperature-dependent measurements, and bias spectroscopy were employed to conduct a comprehensive investigation and analysis of the realized SBFETs. The results show nearly symmetricalSchottky barriers for electrons and holes, indicating high efficiency of the devices. Due to the minimal hysteresis achieved by the high-quality SiO2 layer, precise and well analyzable data was obtained. The positive results strengthen the motivation to further develop SBFETs and build reconfigurable field-effect transistors (RFETs) that provide n and p-type configurations without requiring doping. High-temperature investigations contributed to the evaluation of various transport mechanisms and the determination of the stable behavior of the transistors. By applying bias spectroscopy, optimal operating points for high performance were identified, particularly for logic gate applications. Furthermore,wired-AND and complementary inverters made from nanowires were successfully realized, highlighting the versatility and potential of this technology. The realized RFET devices are highly CMOS-compatible and show increased functional density. It can be forecasted that further advancement in RFETs will contribute to reducing energy consumption in artificial intelligence applications. In addition, RFETs have potential applications in various other domains, including hardware security.

”More Moore” ist das Motto der modernen Transistoren, das die Entwicklung in Richtung Platzreduktion, Energieverbrauchssenkung und Leistungssteigerung vorantreibt. Über dieses Konzept hinaus zielt ”Beyond CMOS” auf die Integration zusätzlicher Funktionalitäten mit konventionellem CMOS ab. Zu diesem Zweck wurde im Rahmen dieser Arbeit ein vielversprechender Kandidat in der Nanoelektronik entwickelt, der über einzigartige Rekonfigurationsfähigkeiten auf Basis von Schottky-Barrier-Feldeffekttransistoren (SBFET) verfügt, die ein dynamisches Umschalten zwischen n- und p-Typ während des Betriebs ermöglichen. Um ein hochleistungsfähiges SBFET zu erzielen, ist ein tiefgehendes Wissen über den elektrischen Transport und die Betriebsfähigkeit des zentralen Elements,des Schottky-Barriere-Kontakts, erforderlich. In dieser Arbeit wird eine Metall-Halbleiter-Heterostruktur, die aus bottom-up synthetisierten, dampflüssig-festen (VLS) Silizium-Nanodrähten und monokristallinen Aluminium-Kontakten implementiert, wodurch scharfe Schottky-Kontakte mittels thermisch induziertem Festkörper Al-Si Austausch entstehen. Verschiedene Strom-Spannung-Messungen (I-V-Messungen), temperaturabhängige Messungen und Bias-Spektroskopie wurden eingesetzt, um eine umfassende Untersuchung und Analyse der realisierten SBFETs durchzuführen. Die Ergebnisse zeigen nahezu symmetrische Schottky-Barrieren für Elektronen und Löcher, was auf eine hohe Effizienz der Bauelemente hinweist. Dank der minimalen Hysterese, die durch die qualitativ hochwertige SiO2-Schicht erreicht wurde, konnten präzise und gut analysierbare Daten gewonnen werden. Die positiven Resultate stärken die Motivation, SBFETs weiterzuentwickeln und daraus rekonfigurierbare Feldeffekttransistoren (RFETs) zu bauen, die n- und p-Typ-Konfigurationen ohne Dotierung ermöglichen. Hochtemperaturuntersuchungen trugen zur Bewertung verschiedener Transportmechanismen und zur Bestimmung des stabilen Verhaltens der Transistoren bei. Durch die Anwendung der Bias-Spektroskopie konnten optimale Betriebspunkte für eine hohe Leistungsfähigkeit ermittelt werden, insbesondere für Anwendungen in Logikgattern. Darüber hinaus wurden Wired-AND- und komplementäre Inverter aus Nanodrähten erfolgreich realisiert, was die Vielseitigkeit und das Potenzial dieser Technologie unterstreicht. Die realisierten RFET-Geräte weisen eine hohe Kompatibilität mit der CMOS-Technologie auf und zeigen eine erhöhte funktionale Dichte. Es wird erwartet, dass weitere Fortschritte bei RFETs den Energieverbrauch in Anwendungen der künstlichen Intelligenz erheblich reduzieren werden. Darüber hinaus haben RFETs potenzielle Anwendungen in verschiedenen anderen Bereichen, einschliesslich der Hardware-Sicherheit.