Cryogenic Si and SiGeSn Schottky-Barrier Field-Effect Transistors

Abstract

Die Kryoelektronik gewinnt zunehmend an Bedeutung für Anwendungen wie Ausleseschaltungen in der Quanteninformatik sowie für die Datenverarbeitung bei tiefen Temperaturen, bei denen konventionelle dotierte CMOS-Technologien grundlegenden Einschränkungen unterliegen. Insbesondere Dotierstoff-Freeze-out, Bandflankenverbreiterung sowie ein ungünstiges Schwellenspannungsverhalten führen bei kryogenen Temperaturen zu einer deutlichen Verschlechterung der Bauelementeigenschaften. In dieser Arbeit werden Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) experimentell untersucht, wobei der Schwerpunkt auf ihrem Verhalten bei kryogenen Temperaturen liegt. Der Hauptfokus liegt auf siliziumbasierten rekonfigurierbaren Feldeffekttransistoren (RFETs), die durch eine elektrostatische Kontrolle der Metall-Halbleiter-Übergänge sowohl einen n- als auch einen p-Betrieb ermöglichen. Deren elektrische Eigenschaften werden im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 4.5 K hinsichtlich des Subthreshold-Swings, der Schwellenspannung, der Transkonduktanz sowie der Ein- und Ausschaltströme analysiert. Ergänzend dazu wird ein vergleichbarer SiGeSn-basierter p-SBFET mit einer Kanalzusammensetzung von 33% Silizium, 66% Germanium und 0.5% Zinn sowie Al2O3 als Gate-Dielektrikum untersucht, um den Einfluss eines alternativen Kanalmaterials und der Gate-Stack-Struktur auf das kryogene Bauelementverhalten zu bewerten. Für die Si-RFETs wird ein stabiler Betrieb sowohl im n- als auch im p-Modus über den gesamten untersuchten Temperaturbereich nachgewiesen. Beim Abkühlen zeigt sich für beide Betriebsarten eine deutliche Verbesserung des Subthreshold-Swings, wobei bei 4.5 K Werte von 24 mV/dec für den n-Betrieb und 27 mV/dec für den p-Betrieb extrahiert wurden. Die Analyse des stromabhängigen Subthreshold-Verhaltens offenbart unterschiedliche Transportregime, bei denen die thermionische Emission den Subthreshold-Bereich dominiert, während Tunnelprozesse im Einschaltzustand bei kryogenen Temperaturen mehr an Bedeutung gewinnen. Trotz des günstigen Subthreshold-Verhaltens verschiebt sich die Schwellenspannung der Si-RFETs mit abnehmender Temperatur in eine ungünstige Richtung, wodurch sich der Einschaltpunkt vom gewünschten Arbeitspunkt entfernt. Der SiGeSn-basierte SBFET zeigt bei kryogenen Temperaturen eine vergleichbare Verbesserung der Subthreshold-Eigenschaften, einschließlich einer starken Unterdrückung des Ausschaltstroms sowie eines steilen Subthreshold-Swings von etwa 23vmV/dec bei 5 K. Im Gegensatz zu den Si-RFETs verbessert sich die Schwellenspannung des SiGeSn-Bauelements beim Abkühlen, wobei, abhängig von der angelegten Drain-Source-Spannung, Reduktionen von bis zu 25% bzw. 50% beobachtet wurden. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass das kryogene Schwellenspannungsverhalten maßgeblich durch das verwendete Kanalmaterial und die Gate-Stack-Struktur beeinflusst wird und keine Eigenschaft von Schottky-Barrieren-Bauelementen darstellt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Schottky-Barrieren-basierte Transistoren ein robustes Betriebsverhalten bei kryogenen Temperaturen mit deutlich verbesserten Subthreshold-Eigenschaften aufweisen. Gleichzeitig wird deutlich, dass ein günstiges Schwellenspannungsverhalten weiterhin eine zentrale Herausforderung für Sibasierte RFETs darstellt, was zukünftige Arbeiten zur gezielten elektrostatischen Optimierung sowie zur Untersuchung alternativer Kanalmaterialien für energieeffiziente kryogene Elektronik motiviert.

Cryogenic electronics is gaining increasing relevance for applications such as readout and control circuits for quantum qubits and low-temperature data processing, where conventional doped CMOS technologies suffer from fundamental limitations. In particular, dopant freeze-out, band-tail effects and an unfavourable threshold-voltage increase significantly degrade the device performance at cryogenic temperatures. In this thesis, Schottky-barrier field-effect transistors (SBFET) are experimentally investigated with a particular focus on their behaviour at cryogenic temperatures. The primary focus lies on Si-based reconfigurable field-effect transistors (RFETs), which enable both n-type and p-type operation by an electrostatic control of metal-semiconductor junctions. Their electrical characteristics are analyzed between the room temperature and 4.5 K with respect to subthreshold swing, threshold voltage, transconductance and on- and off-state currents. In addition, a similar SiGeSn-based p-SBFET with a channel composition of 33% silicon, 66% germanium, and 0.5% tin and Al2O3 as the gate dielectric is being investigated to evaluate the influence of an advanced channel material and gate stack structure on the behavior of cryogenic devices. For the Si RFETs, stable operation is demonstrated for both n-mode and p-mode over the entire investigated temperature range. Upon cooling, a pronounced improvement of the subthreshold swing is observed for both operation modes, reaching values of 24 mV/dec for n-type and 27 mV/dec for p-type operation at 4.5 K. An analysis of the current-dependent subthreshold behaviour reveals distinct transport regimes, with thermionic emission dominating the subthreshold region and tunneling processes becoming increasingly relevant in the on-state at cryogenic temperatures. Despite the favourable subthreshold swing, the threshold voltage of the Si RFETs shifts undesirable with decreasing temperature, moving the on-state away from the desired operating point. The SiGeSn SBFET exhibits a similar improvement of the subthreshold characteristics at cryogenic temperatures, including a strong suppression of the off-state current and steep subthreshold swings of approximately 23 mV/dec at 5 K. In contrast to the Si RFETs, the threshold voltage of the SiGeSn device improves upon cooling, with reductions of up to 25% and 50% depending on the applied drain bias. These results indicate that the cryogenic threshold-voltage is strongly influenced by the channel material system and the gate-stack structure rather than being a property of Schottky-barrier devices. Overall, this thesis demonstrates that Schottky-barrier based transistors provide robust cryogenic operation with strongly improved subthreshold behaviour. At the same time, the results highlight that achieving favourable subthreshold behaviour remains a key challenge for Si-based RFETs, motivating the future work on electrostatic optimization and alternative channel materials for low-power cryogenic electronic systems.