Experimentelle und theoretische Untersuchungen von Mono- and Bilagen- Graphen Nanoribbon Band-zu-Band Tunnel Feld-Effekt Transistoren

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Knoch
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2010 bis 2015
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 172597456

Band-zu-Band Tunnel Feld-Effekt Transistoren (TFETs) werden zurzeit intensiv untersucht und werden als eines der vielversprechensten Konzepte für Low-Power elektronische Systeme angesehen. Der Grund für das große Interesse ist ihr Schaltmechanismus, der im Gegensatz zu konventionellen MOSFET nicht durch die Modulation von thermisch generierten Ladungsträgern bestimmt ist, sondern durch Feldeffekt-gesteuertes Band-zu-Band Tunneln gegeben ist. Daher bieten TFETs potentiell die Möglichkeit mit einer signifikant kleineren Betriebspannung gesteuert werden zu können. Dazu weisen sie deutlich kleinere Leckströme im Auszustand auf, weswegen TFETs potentiell zu einer starken Verringerung der dynamischen und statischen Verlustleistung führen können. Allerdings ist der aktuelle Stand der Technik noch nicht weit genug vorangeschritten und aktuelle TFETs weisen eine geringere Leistungsfähigkeit als vergleichbare konventionelle MOSFETs auf. Grund dafür ist die zu niedrige Band-zu-Band Tunnelwahrscheinlickeit am Source-Kanal-Übergang. Zwei der effektivsten Booster bezüglich der Leistungsfähigkeit von TFETs sind zum einen Heterostrukturen, bei denen die Bandlücke am Tunnel-Übergang klein ist um die Tunnelwahrscheinlichkeit zu vergrößern im übrigen Bauelement aber eine große Bandlücke aufweisen um Leckströme zu minimieren. Zum anderen sind ultradünne Kanalschichten, die ein bessere kapazitive Kopplung und damit vergrößerte Band-zu-Band Tunnelwahrscheinlichkeiten ergeben. Graphen stellt eine ultimative dünne Kanalschicht dar und weil die Bandlücke von der Weite eines Nanoribbons abhängt, erlaubt eine laterale Variation der Nanoribbonweite eine lateral veränderliche Bandlücke zu generieren. Dies wiederum ermöglicht ein Zuschneiden der Bandlücke um die Leistungsfähigkeit der TFETs zu verbessern. Im hier vorgestellten Projekt werden verschiedne TFET-Konzepte realisiert und untersucht. Zu den angestrebten Bauelementen gehören i) TFETs basierend auf T-förmige Nanoribbon, bei denen die Bandlücke am Source-Kanal-Übergang kleiner ist, ii)TFETs, die aus Bilagen-Graphen bestehen; vertikale elektische Felder werden hierbei verwendet um Bandlücken einzustellen. iii) Im Projekt werden zudem Heterostruktur-TFETs untersucht, die aus Mono- und Bilagen Graphen bestehen. Die experimentellen Arbeiten werden dabei von Simulationen begleitet, die auf quantenmechanischen Rechnungen basieren. Um die benötigte n-i-p-dotierte Struktur im Graphen zu erzeugen haben wir spezielle Substrate entwickelt, die eine vergrabene Struktur mit drei individuell adressierbaren Gates enthalten. Nach der graphene Deposition entweder durch direkte Exfoliation oder durch einen Flake-Transfer wird das Grpahen entweder in eine geeigneten T-Nanribbon struktuiert oder mit zusätzlichen Top-Gate Elektroden versehen um funktionierende TFETs zu demonstrieren. Die experimentellen Bauelemente werden gründlich durch temperaturabhängige Messungen des Transports charakterisiert und mit Simulationen verglichen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1459: Graphene