Negative differential transconductance in silicon and germanium reconfigurable transistors

Abstract

Aufgrund des Anwachsens von Datenmengen, welche insbesondere durch künstliche Intelligenz (KI) vorangetrieben wird, stoßen moderne konventionelle komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter (CMOS) Technologien zunehmend an ihre Grenzen hinsichtlich der Datenverarbeitungsgeschwindigkeit. Daher sind Transistoren, die im Betrieb mehr Funktionalität bieten als herkömmliche Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs), unerlässlich, um den Anforderungen der Verarbeitung großer Datenmengen gerecht zu werden und darüber hinaus die Herausforderungen der fortschreitenden Skalierung in der Halbleiterindustrie zu bewältigen. In diesem Zusammenhang bieten Anti-Ambipolare Transistoren (AATs), die negative differentielle Transkonduktanz (NDT) aufweisen, das Potenzial, in Konzepten der mehrwertigen Logik (MVL) implementiert zu werden, wodurch die Realisierung multifunktionaler arithmetischer Rechensysteme mit höherer Leistung ermöglicht wird. Zu diesem Zweck stellt diese Arbeit einen rekonfigurierbaren Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistor (SBFET) vor, auch bekannt als RFET, basierend auf einer Silizium-auf-Isolator (SOI) Plattform einerseits und einer Germanium-auf-SOI (Ge on SOI) Plattform mit drei verschiedenen Ge-Schichtdicken andererseits, der A-förmige anti-ambipolare Transfercharakteristik mit geringer Hysterese und somit einen Bereich mit NDT aufweist. Um dies zu erreichen, wurde eine Dreifache-Top-Gate (TTG) RFET-Architektur gewählt, um eine präzise elektrostatische Steuerung der zu injizierenden Ladungsträger Elektronen und Löcher zu ermöglichen. Die TTG RFET Bauelemente wurden unter Verwendung eines Top-Down Ansatzes hergestellt, bei dem eine Metall-Halbleiter-Metall Heterostruktur als Grundlage dient. Diese Nanostruktur erhält man, indem sich entlang eines Nanosheets durch einen thermisch aktivierten Austauschprozess zwischen Aluminium (Al) und dem Halbleitermaterial zwei atomar scharfe Schottky-Kontakte bilden. Thermisch oxidiertes SiO2 wurde als Passivierungsschicht für diese Nanostruktur und als Gate-Dielektrikum für alle Bauelemente verwendet, und das Dielektrikum der Ge-on-SOI-Bauelemente wurde durch das High-k-Dielektrikum ZrO2 ergänzt. Für die Gate-Elektroden wurde bei den SOITransistoren gesputtertes Ti/Al verwendet, während bei den Ge-on-SOI-Transistoren elektronenstrahlverdampftes Ti/Au zum Einsatz kam. Die Leistung der vier hier vorgestellten Bauelemente übertrifft die von modernsten Dioden und Transistoren mit Negativem-Differentiellen-Widerstand (NDR) und erreicht Peak-zu-Valley-Verhältnisse (PVR) im Bereich von über 107 sowie sehr niedrige Off-State Ströme von weniger als 50fA bei Raumtemperatur (295K). Dieses PVR ist sogar über die Versorgungsspannung einstellbar, und es wird ein zuverlässiger Betrieb aller Transistoren im NDT-Modus gewährleistet. Insbesondere der reine SOI TTG RFET zeigt eine NDT-Temperaturstabilität von bis zu 400K auf. Bei höheren Ge-Schichtdicken auf dem Ge on SOI entsteht sogar eine anti-ambipolare Transfercharakteristik mit einem Doppelpeak, was Möglichkeiten für die Implementierung von quaternärer Logik im Hinblick auf MVL eröffnet. Schließlich können die hier besprochenen TTG-Transistoren auf Si- und Ge-Basis, die eine anti-ambipolare Transferkennlinie mit einem NDT aufweisen, mit herkömmlicher CMOS-Technologie integriert werden, um MVL, Frequenzverdoppler und Spiking-Neuronen-Schaltungen als Add-On-Technologie effizient bereitzustellen.

Due to the ever-increasing amount of data processing, driven in particular by artificial intelligence (AI), modern conventional complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) technologies are reaching their limits in terms of efficiency and speed. Therefore, transistors that offer more functionality in runtime than conventional metal-oxide-semiconductor field-effect transistors (MOSFETs) are essential for meeting the demands of processing large amounts of data and, on top of that, for addressing the challenges of ongoing scaling in the semiconductor industry. In this respect, anti-ambipolar transistors (AATs), which exhibit negative differential transconductance (NDT) characteristics, may offer the potential to implement these in multivalued logic (MVL) concepts, thereby enabling the realization of multifunctional arithmetic computational systems with higher performance. In this purpose, this thesis presents a reconfigurable Schottky barrier field-effect transistor (SBFET), also known as an RFET, based on the one hand on a silicon on insulator (SOI) platform and on the other hand a germanium (Ge) on SOI platform with three different Ge layer thicknesses, which exhibits an A-shaped anti-ambipolar transfer characteristics with low hysteresis and thus includes a region with an NDT. To achieve this, a triple top-gate (TTG) RFET architecture was chosen to enable precise electrostatic control over the charge carriers electrons and holes to be injected. The TTG RFET devices were fabricated using a top-down approach, with a metal-semiconductor-metal heterostructure serving as the base. This nanostructure was modified to include two atomically sharp Schottky contacts through a thermally induced exchange process between aluminum (Al) and the semiconductor material in a nanosheet. Thermally oxidized SiO2 was used as the passivation layer for this nanostructure and as the gate dielectric for all devices, and the dielectric of the Ge on SOI devices was supplemented with the high-k dielectric ZrO2. For the gate electrodes, sputtered Ti/Al was used for SOI device, and electron-beam evaporated Ti/Au was used for Ge on SOI devices. The performance of the four devices presented here exceeds that of state-of-the-art negative differential resistance (NDR) diodes and transistors, achieving peak-to-valley ratios (PVR) beyond 107 and very low off-state currents of less than 50fA at room temperature (295K). However, this PVR is adjustable via the bias voltage and ensures reliable operation of all devices in NDT mode. In particular, the TTG RFET on the SOI platform exhibits NDT temperature stability up to 400K. At higher Ge layer thicknesses on the Ge on SOI substrate, anti-ambipolar transfer characteristics with a double peak even emerge, which opens up possibilities for implementing quaternary logic with respect to MVL. Finally, the Si- and Ge-based TTG devices discussed here, which exhibit anti-ambipolar transfer characteristics with an NDT, can be integrated with conventional CMOS technology to efficiently provide MVL, high-frequency doublers, and spiking neuron circuits as add-on technologies.