Nanodraht-Heterostruktur-Bauelemente

Ein wesentlicher Trend in der Mikroelektronik ist die ständige Verkleinerung ("Scaling") der Bauteile um eine Erhöhung der Taktfrequenz zu erreichen und die Herstellungskosten pro Chip zu senken. Die Skalierung wird jedoch mit jeder neuen Technologiegeneration zunehmend schwieriger, da bestimmte Bauteilparameter wie z.B. die Unterschwellstromsteigung oder die Weite der Raumladungszonen nicht mitskalieren. Viele Eigenschaften des konventionellen MOSFET verschlechtern sich bei extremer Skalierung in den Nanometerbereich und es wird mit abnehmender Kanallänge immer schwieriger, den MOSFET auszuschalten. Um die damit verbundenen inakzeptablen Leckströmen in zukünftigen integrierten Schaltungen (IC) zu verringern, wird intensiv an neuen Bauteilkonzepten geforscht. Ein vielversprechender Anwärter, als Alternative zum MOSFET ist der sogenannte vertikal integrierte Tunnelfeldeffekttransistor (TFET) mit "bottom-up" synthetisierten Nanodrähten. In diesen TFETs können die Kurzkanaleffekte unterdrückt werden und sie ermöglichen darüber hinaus Unterschwellstromsteigungen über der maximal für konventionelle MOSFET möglichen Grenze von 60 mV/dec. Die quasi eindimensionale Geometrie ermöglicht dabei eine ideale elektrostatische Kontrolle des Bauteilkanals und einen hierarchischen 3D Aufbau der ICs. Mit dem sogenannten vapor-liquid-solid (VLS) Verfahren können in-situ dotierte Nanodrähte aber auch radiale als auch axiale Nanodrahtheterostrukturen erzielt werden auch bei Materialsystemen die aufgrund der ungeeigneten Gitteranpassung in Schichtsystemen nicht realisiert werden können. Solche axiale Nanodrahtheterostrukturen ermöglichen nun die elektronische Bandstruktur durch die Dotierung in Richtung des Stromtransportes zu verändern und damit asymmetrische Bauteile zu realisieren. Im Hinblick auf TFETs mit p-i-n Heterostrukturen muß dieser Übergang der Dotierung sehr scharf und im Falle der bandstrukturmodulierten, axialen Nanodrahtheterostrukturen das Interface möglichst glatt sein. Silizid/Germanid-Halbleiterübergänge in Nanodrähten zeigen sogar atomar scharfe Übergänge. Im Rahmen dieses Projektes sollen daher p-i-n dotierte Nanodrähte aber auch solche Silizid/Germanid-Halbleiternanodrahtübergänge im Hinblick auf Ihre Eignung für TFETs untersucht werden. Dazu kombinieren wir (a) vier Forschergruppen aus Frankreich und Österreich und (b) implementieren material- und/oder dotiermodulierte Nanodrähte als auch Silizid/Germanid Heteroübergänge in axialen Nanodrahtstrukturen in TFETs. Die Synthese der dotiermodulierten Nanodrahtstrukturen erfolgt im VLS Verfahren hauptsächlich am "Laboratoire des Technologies de la Microélectronique" in Grenoble und die Silizid/Germanid- Halbleiterheterostrukturen werden durch eine kontrollierter Phasenumwandlung durch Diffusion am Institut für Festkörperelektronik an der TU Wien in Wien erzeugt. Folgende 3 Materialsysteme werden vorrangig untersucht: axiale Nanodrahtheterostrukturen aus (i) Si und Ge mit p-i-n Dotierprofil (ii) Nanodrahtheterostrukturen aus Si und Ge als auch Si/Ge Legierungen (iii) Heterostrukturen von Si und Ge unterschiedlicher Dotierungen und den entsprechenden Siliziden und Germaniden von Pt, Ni, Cu und Co. Diese Nanodraht Heterostrukturen werden durch umfangreiche Stukturuntersuchungen unter anderem mit Transmissionselektronenmikroskopie, Röntgenstrahldiffraktometrie und konfokaler Raman-mikroskopie charakterisiert um die optimalen Syntheseparameter zu ermitteln. Die Hauptaufgabe dieses Projektes ist aber die Untersuchung der Wechselbeziehung zwischen den Strukturen und deren elektronischer Funktionalität, um diese für neue elektronischen Bauteilen zu nützen. Zum Ende des Projektes, sollen eben solche Bauteile wie etwas ein TFETs realisiert und durch I(V), C(V) Messungen charakterisiert werden. Die Ergebnisse dieser Messungen werden dann mit Simulationen verglichen um die Physik dieser neuartigen Bauteile zu klären.

Im Rahmen des NAHDEVI Projekts wurde anhand von Prototypen, die Integration von axialen als auch modulationsdotierten Si/Ge Nanodrahtheterostrukturen in neuartige elektrische Nanobauteile demonstriert. Konkret wurden in dem aus vier Forschergruppen aus Frankreich und Österreich bestehenden Konsortium Si/Ge Nanodraht-Heterostrukturen synthetisiert, diese elektrisch und morphologisch charakterisiert und mit den entsprechenden Silizid/Germanid-Halbleiter-Heteroübergänge erfolgreich in Tunnel-Feldeffekttransistoren (FETs) integriert. Am Institut für Festkörperelektronik wurden dazu Syntheseverfahren für die Herstellung von Nanodraht-Heterostrukturen mit abrupten Silizid/Silizium bzw. Germanid/Germanium Hetroübergängen entwickelt. So konnten durch den Ersatz der üblichen hochdotierten Anschlussgebiete von Nanodrahtbauteilen durch selbstjustierende Nickelsilizidkontakte an einem axial modulationsdotierten Si Nanodraht ein multifunktionaler Tunnel-FET realisiert werden. Diese auch polymorphe Elektronik genannte Technologie kann als CMOS- Nachfolger eine funktionelle Diversifizierung bei weiterhin niedrigem Energieverbrauch ermöglichen. Zuletzt konnten wir auch zeigen, dass man durch eine thermisch induzierte Austauschreaktion zwischen Ge Nanodrähten und Al Kontakten, aufgrund des wesentlich unterschiedlichen Diffusionsverhaltens von Ge in Al und vice versa, eine axialen Nanodraht-Heterostruktur mit atomar scharfen Übergängen herstellen kann. Durch die Integration solcher Al-Ge-Al-Nanodraht-Heterostrukturen in back-gated FETs konnten wir damit erstmals eindeutige Signaturen eines negativen differentiellen Widerstandes in Ge bereits bei Raumtemperatur nachweisen.Die experimentellen Arbeiten wurden durch numerische Simulation unterstützt. Dazu wurde eine neue Methode zur Beschreibung des Zwischenband-Tunnelprozesses entwickelt. Diese verwendet eine effektive Tunnelbarriere, die aus den selbst-konsistenten Valenzband- und Leitungsbandprofilen extrahiert wird. Die Barriere weist auf einer Seite Valenzband-artige und auf der anderen Leitungsband-artige Eigenschaften auf. Der Stelle des Übergangs wird aus der Impulserhaltung bestimmt. Nach Bestimmung der Eigenmoden in den Kontakten wird die quantenmechanische Wellenausbreitung in der dreidimensionalen Bauteilstruktur berechnet. Dieses Simulationsverfahren für 3D Zwischenbandtunneln ermöglicht es, den Einfluss unterschiedlichster Bauteilparameter auf den Tunnelstrom zu untersuchen. So wurde der Effekt des sich verjüngenden NW-Durchmessers, wie er in der Praxis auftritt, genauer untersucht. Des Weiteren wurde der 3D Algorithmus zur Untersuchung von Tunneltransistoren mit Heteroübergängen zwischen direkten und indirekten Halbleitern verwendet. Weiters wurden dreidimensionale Bauteile mit sogenannten Dotierungs-Pockets und unterschiedlicher Überlappung der Gate-elektrode mit dem NW untersucht.