Kurzfassung

Um den Anforderungen der Skalierung in der Mikroelektronik gerecht zu werden, wird die Einführung neuer Strukturen und Materialien notwendig. Dazu zählen etwa multiple gate MOSFETs, Carbon Nanotube Feldeffekttransistoren (CNT-FETs) und auf Molekülen basierende Transistoren. Auf Grund der hervorragenden elektronischen Eigenschaften von carbon nanotubes (CNTs) wurden CNT-FETs in den vergangenen Jahren vermehrt als mögliche Alternative zu CMOS Bauelementen untersucht. Einige dieser Eigenschaften sind quasi-ballistischer Ladungsträgertransport, geringe Elektromigration und Unterdrückung von Kurzkanaleffekten auf Grund der ein-dimensionalen Transporteigenshaften. Die nahezu symmetrische Bandstruktur von Valenz- und Leitungsband ermöglicht symmetrische p- und n-Kanal Transistoren für komplementäre Logik. Da CNTs sowohl mit metallischem als auch halbleitendem Verhalten realisiert werden können, ist eine vollständig auf CNTs basierende Elektronik vorstellbar.

Zur Erforschung der in CNT-FETs auftretenden physikalischen Effekte und zur Verbesserung ihrer Leistungskennzahlen und Funktionalität wurden selbstkonsistente quantenmechanische Simulationen durchgeführt. Dazu wurde der Formalismus der Nichtgleichgewichts-GREENschen Funktionen (NEGF) verwendet. Dieser stellt eine sehr mächtige Methode zur Behandlung von Vielteilchensystemen sowohl im thermodynamischen Gleichgewicht als auch im Nichtgleichgewicht dar.

Die numerische Implementierung des NEGF-Formalismus wird mit besonderem Augenmerk auf die Reduktion von Speicher- und Rechenzeitbedarf durchgeführt. Der Fokus auf die rechnerische Effizienz ist notwendig, um kurze Simulationszeiten zu ermöglichen und großangelegte Anwendungen wie Bauelementoptimierung durchführbar zu machen. Zur exakten Analyse sind weiters die Quantentransportgleichungen selbstkonsistent mit der POISSON-Gleichung zu lösen. Dazu wurde ein iteratives Lösungsschema angewandt, wobei das Konvergenzverhalten der Methode einen entscheidenden Faktor darstellt. Das Konvergenzverhalten der selbstkonsistenten Iteration wurde untersucht und daraus Methoden zur Verbesserung der Konvergenzrate entwickelt.

Die numerischen Methoden wurden im Rahmen des vielseitigen, quantenmechanischen Bauelementsimulators VIENNA SCHRÖDINGER-POISSON (VSP) implementiert und zur Untersuchung von CNT-FETs angewandt. Basierend auf den Erkenntnissen aus den Simulationsergebnissen ist ein tieferes Verständnis der Bauelementfunktion und ihrer Abhängigkeit von Material- und Geometrieparametern möglich.

Die ambipolare Leitung in CNT-FETs, welche die Transistoreigenshaften stark beeinträchtigen kann, wurde genauer untersucht. Die Simulationen zeigen, dass dieses Verhalten durch eine Doppel-Gate-Struktur unterdrückt werden kann. Dabei wird die Ladungsträgerinjektion an den Source- und Drain Kontakten unabhängig voneinander gesteuert. Das erste Gate steuert die Ladungsträgerinjektion am Source-Kontakt, während das zweite Gate die parasitäre Ladungsträgerinjektion am Drain-Kontakt unterdrückt.

Da allerdings die Herstellung von Einfach-Gate-Bauelementen praktikabler ist, wurden auch für diese Bauelemente Möglichkeiten zur Reduktion des ambipolaren Leitung untersucht. Es wird gezeigt dass die Eigenshaften von Einfach-Gate CNT-FETs durch Optimierung der Gate-Source und Gate-Drain Abstände enorm verbessert werden können. Die zu Grunde liegenden Effekte unterscheiden sich deutlich von jenen in konventionellen MOSFETs.

Abschließend werden die Auswirkungen der Elektron-Phonon Wechselwirkung auf die Bauelementeigenschaften im Detail untersucht. In Übereinstimmung mit Experimenten zeigen unsere Ergebnisse, dass Streuung mit hochenergetischen Phononen zwar den Strom im eingeschalteten Zustand kaum beeinflusst, jedoch auf Grund von Ladungsansammlung im Kanal die Schaltzeiten merklich verschlechtert. Für Streuung mit niederenergetischen Phononen findet man das umgekehrte Verhalten vor. In den für elektronische Anwendungen geeigneten CNTs dominiert bei Raumtemperatur allerdings Elektron-Phonon Wechselwirkung mit hochenergetischen Phononen. Daher liegt der Strom von CNT-FETs im eingeschalteten Zustand nahe am ballistischen Limit, die Schaltzeiten hingegen deutlich darunter.

M. Pourfath: Numerical Study of Quantum Transport in Carbon Nanotube-Based Transistors