Rekonfigurierbare Feld-Effekt Transistoren

• Antragsteller: Professor Dr. Joachim Knoch
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 397662129

Eine Leistungssteigerung und ein Zuwachs an Funktionalität hoch integrierter Schaltkreise (ICs) ist in den letzten Dekaden vornehmlich durch die Integration beständig verkleinerter Bauelemente auf dieselbe Chip-Fläche erreicht worden. Diese Skalierung wird aber in naher Zukunft zu einem Ende kommen. Ein alternativer Ansatz, mehr Funktionalität in einen Chip zu integrierten, ist es daher, die Bauelemente selbst mit mehr Funktionalität zu versehen. Dies kann durch rekonfigurierbare Kontakte erreicht werden, die eine Bauelementfunktionalität als n-Typ, p-Typ and Band-zu-Band Tunnel Feldeffekt Transistor (TFET) einzustellen erlauben.Feldeffekt Transistoren (FETs) mit rekonfigurierbaren Kontakten weisen mindestens zwei Gateelektroden auf: ein echtes Gate und die Gateelektrode zur Einstellung der Polarität. Basierend auf solchen Multigate Architekturen sind eine Reihe von rekonfigurierbaren Transistoren bereits demonstriert worden. Insbesondere das Schalten zwischen der Funktionalität als konventioneller und als TFET ist höchst-attraktiv, da dies Schaltkreise ermöglicht, die entweder auf hohe Leistungsfähigkeit (konventioneller FET) oder sehr geringe Verlustleistung (TFET) dynamisch eingestellt werden können. Größter Nachteil aller bisher demonstrierter rekonfigurierbarer FETs ist aber die Tatsache, dass die Gateelektrode für das Einstellen der Polarität nicht die Austrittsarbeit des Kontakmetalls ändert und somit das Ferminiveau am Source/Drain-Metall-Halbleiterkontakt in der Mitte der Bandlücke liegen sollte um ähnlich gute Injektion von Elektronen und Löchern zu gewährleisten. Dies aber führt zu einer starken Verschlechterung der Bauelemente, da die Ladungsträger durch eine substantielle Schottky-Barriere tunneln müssen. Im hier vorgestellten Projekt werden rekonfigurierbare Kontakte realisiert, die ohmsche Kontakte sowohl für Elektronen- als auch Lochinjektion erlauben. Darüber hinaus werden die Kontakte so realisiert, dass unipolares Bauelementverhalten gewährleistet ist; dies ist insbesondere auch für eine entsprechende Funktionalität als TFET wichtig. Dazu wird ein Materialstapel aus Silizium, ultradünnem SiN und Graphene mit einer (isolierten) Gateelektrode versehen. Das Graphene dient als eigentliches Kontaktmaterial. Während Graphene-Silizium Dioden bereits demonstriert wurden ist der Hauptunterschied hier die Integration einer ultradünnen SiN-Schicht zwischen Silizium und Graphene. Diese Schicht vermeidet Fermi-level Pinning und gewährleistet eine starke Unterdrückung der Zustandsdichte in der Bandlücke. Die niedrige Zustandsdichte des Graphene verringert die Dichte der Gapzustände weiter und erlaubt ein ausreichendes Gating des Siliziums durch das Graphene. Dadurch können Leitungs-/Valenzband mit geeigneter Spannung am Polaritätsgate so verschoben werden, dass eine gute Ladungsträgerinjektion in das jeweilige Band erreicht wird. Dies wiederum ermöglicht echte rekonfigurierbare Kontakte, die sowohl n-Typ, p-Typ als auch TFETs ermöglichen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen