Strained Silicon and Silicon-Germanium Nanowire Tunnel FETs and Inverters

Beschreibung

Die Reduzierung des Energieverbrauchs ist ein wichtiges Thema f¨ur integrierte Schaltungen in mobilen Ger¨aten und Systemen ohne externe Stromversorgung. Durch die quadratische Abh¨angigkeit der Leistungsaufnahme von VDD, bietet die Skalierung der Versorgungsspannung eine effektive M¨oglichkeit zur Reduzierung des Energieverbrauchs. MOSFETs besitzen eine physikalische Begrenzung f¨ur die m¨ogliche Erh¨ohung des Drainstroms bezogen auf eine angelegt Gatespannungsdifferenz, die wiederum ein Skalierung von VDD begrenzt. Der Tunnel-Feldeffekttransistor (TFET) besitzt diese Begrenzung nicht und bietet daher Vorteile gegen¨uber dem MOSFET bei sehr kleinen Versorgungsspannungen. In dieser Arbeit werden TFETs hergestellt und optimiert nach Designkonzepten basierend auf physikalischen Modellen f¨ur das Band-zu-Band-Tunneln. Ziel ist es, die Tunnelwahrscheinlichkeit zu erh¨ohen, um h¨ohere Str¨ome in den Bauelementen zu erm¨oglichen. Die TFETs basieren auf Nanodr¨ahten, die an drei Seiten von einem High-?/Metall-Gate umgeben sind. Diese Struktur erh¨oht die elektrostatische Gatekontrolle. Die Bauelemente werden auf verspanntem Silizium auf Isolator (SSOI) und Silizium-Germanium auf SOI Substraten prozessiert. Die Bauelemente zeigen eine Zunahme des Tunnelstroms mit abnehmender Bandl¨ucke und effektiver Masse der Ladungstr¨ager. Um den An-Strom weiter zu erh¨ohen und eine Vergr¨oßerung des Aus-Stromes, wie sie bei Homostruktur TFETs mit kleiner Bandl¨ucke auftritt, zu verhindern, wird ein Heterostruktur TFET basierend auf dem Nanodrahtdesign entwickelt und hergestellt. Dieser Heterostruktur TFET zeigt weiter verbesserte An-Str¨ome bei reduzierten Str¨omen im Aus-Zustand. Die Eigenschaften der SSOI Nanodraht TFETs werden mit ¨aquivalent prozessierten MOSFETs verglichen. Die Temperaturabh¨angigkeit der TFETs wird charakterisiert und eine Verschlechterung des Gatedielektrikums durch hochenergetische Ladungstr¨ager im Tunnelkontakt wird mittels der ”Charge Pumping”-Methode nachgewiesen. Des Weiteren werden die Eigenschaften von TFETs in Bezug auf Logikschaltungen anhand von Invertern analysiert. Der Vergleich von TFET und MOSFET Invertern zeigt, dass sich die ambipolaren Eigenschaften der TFETs negativ auf die Spannungstransfercharakteristik des Inverters auswirken. Ein emulierter TFET Inverter basierend auf der hergestellten SiGe/Si Heterostruktur mit reduzierter Ambipolarit¨at verhindert dies und zeigt gutes Schaltverhalten bei sehr kleinen Spannungen.

Autor*in

Simon Richter

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