Adaptive analog and digital circuits based on reconfigurable germanium transistors

Abstract

Reconfigurable field effect transistors (RFETs) based on Schottky contacts offer polarity control enabling runtime NMOS/PMOS switching without channel doping and therefore represent a promising device concept for compact, adaptive, and energy efficient electronic systems. Germanium on silicon on insulator (GeSOI) provides improved carrier injection but requires optimized contact engineering to achieve symmetric electron and hole injection. This work investigates the technological evolution, electrical behavior, and circuit functionality of the second and third generation of Al-Si-Ge multi-heterojunction RFETs based on the GeSOI platform. The study combines fabrication improvements with an extended characterization methodology. Solid-state exchange based Al-Si-Ge multi-heterojunction contacts and a SiO2/ZrO2 gate stack were implemented to improve symmetry and electrostatic control. Automated DC and transient measurements, including multidimensional large parameter sweeps, were performed to evaluate transfer characteristics, on-to-off ratios, temperature stability, and circuit performance. Several circuit configurations were realized, including complementary inverters, common source and common drain amplifiers, and a reconfigurable transmission gate.The results show a clear progression from the first generation devices toward symmetric and high performance RFET circuits. The third generation achieves nearly balanced conduction in both, the NMOS and PMOS mode, with Ipon/In on improving from 4.1 in the first generation to ≈ 0.88 and on-to-off ratios of approximately six decades. Common source amplifier gains increased from near unity in early devices to values around 10 in the third generation, while common drain gains reached up to 0.75 with stable operating points. The transmission gate demonstrates correct bidirectional switching, tunable attenuation, and reproducible transient behavior, with an effective resistance adjustable from the GΩ to the 100 kΩ range.These findings establish the third generation GeSOI RFET as a robust platform for reconfigurable analog and mixed signal circuits. The demonstrated gain tunability, symmetric operation, and bidirectional transmission capability highlight the versatility of RFET based architectures. Remaining challenges include charge trapping effects and limited dynamic performance, which may be addressed through improved passivation, optimized dielectrics, and enhanced measurement integration. The results provide a foundation for the development of more complex reconfigurable circuits and adaptive electronic systems based on RFET technology.

Rekonfigurierbare Feldeffekttransistoren (RFETs) auf Basis von Schottky-Kontakten bieten eine Polaritätssteuerung ohne Kanaldotierung, die ein NMOS/PMOS-Umschalten während der Laufzeit ermöglicht, und stellen daher ein vielversprechendes Bauelementkonzept für kompakte, adaptive und energieeffiziente elektronische Systeme dar. Germanium auf Silizium auf Isolator (GeSOI) bietet eine verbesserte Ladungsträgerinjektion, erfordert jedoch eine optimierte Kontakttechnik, um eine symmetrische Elektronen- und Lochinjektion zu erreichen. Diese Arbeit untersucht die technologische Entwicklung, das elektrische Verhalten und die Schaltungsfunktionalität der zweiten und dritten Generation von Al-Si-Ge Multi-Heterojunction-RFETs auf Basis der GeSOI-Plattform. Die Arbeit kombiniert Verbesserungen auf Fertigungsebene mit einer erweiterten Charakterisierungsmethodik. Um die Symmetrie und die elektrostatische Steuerung zu verbessern, wurden auf Festkörperaustausch basierende Al-Si-Ge Multi-Heterojunction und ein SiO2/ZrO2 Gate-Stack implementiert. Zur Bewertung der Übertragungseigenschaften, der On- Off-Verhältnisse, der Temperaturstabilität und des Schaltverhaltens wurden automatisierte Gleichstrom- und Transientenmessungen durchgeführt, darunter mehrdimensionale große Parametersweeps. Es wurden mehrere Schaltungskonfigurationen realisiert, darunter komplementäre Inverter, Common-Source- und Common-Drain-Verstärker sowie ein rekonfigurierbares Transmission Gate.Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Weiterentwicklung von den Geräten der ersten Generation hin zu symmetrischen und leistungsstarken RFET-Schaltungen. Die dritte Generation erreicht eine nahezu ausgeglichene Leitung in NMOS und PMOS Modus, wobei sich Ip on/In on von 4.1 in der ersten Generation auf ≈ 0.88 verbessert und das On-to-Off- Verhältnis etwa sechs Dekaden beträgt. Die Verstärkung von Common-Source-Verstärkern stieg von nahezu Eins bei frühen Geräten auf Werte um 10 in der dritten Generation,während die Verstärkung von Common-Drain-Verstärkern bis zu 0,75 mit stabilen Arbeitspunkten erreichte. Das Transmission Gate zeigt korrektes bidirektionales Schalten, abstimmbare Dämpfung und reproduzierbares Übergangsverhalten mit einem effektiven Widerstand, der im Bereich von GΩ bis 100 kΩ einstellbar ist. Diese Ergebnisse etablieren die dritte Generation von GeSOI-RFETs als robuste Plattform für rekonfigurierbare analoge und gemischte Signalschaltungen. Die nachgewiesene Verstärkungsabstimmbarkeit, der symmetrische Betrieb und die bidirektionale Übertragungsfähigkeit unterstreichen die Vielseitigkeit von RFET-basierten Architekturen. Zu den verbleibenden Herausforderungen zählen Ladungseffekte und eine begrenzte dynamische Leistung, die durch eine verbesserte Passivierung, optimierte Dielektrika und eine verbesserte Messintegration gelöst werden können. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung komplexerer rekonfigurierbarer Schaltungen und adaptiver elektronischer Systeme auf Basis der RFET-Technologie.