Nanowire Heterojunction Devices

Straightforward downscaling of the metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET), the workhorse of the electronics industry, is coming to an end as nanoscale dimensions have been reached. To reduce power dissipation of future integrated circuits (ICs), new device architectures and materials that support steep inverse subthreshold slopes and thereby low voltage operation are intensively investigated.  A promising candidate to replace the MOSFET in future technology nodes is the vertical nanowire (NW) based tunnel-FET (TFET). Due to its built-in tunnel barrier, the TFET does not suffer from short-channel effects, and the subthreshold slope of TFETs is not limited to 60mV/dec, the physical limit of MOSFETs. Moreover, the NW geometry offers the most ideal structure from an electrostatic perspective with 3-dimensional stacking capability.

However, NWs also present other properties that make them attractive for advanced devices, such as the possibility of in-situ doping, core-shell structures, and not least the axial growth of non-lattice matched heterostructures. Axial NWs heterostructures allow energy band-edge engineering along the axis of the NW, which is the charge transport direction, and the realization of asymmetric devices for novel device architectures not easily accessible in planar devices.

Interface abruptness of doped NWs and the heterojunctions in general imposes challenges in these structures and others for realizing high performance TFETs in p-i-n junctions or band gap engineered materials. Such properly designed silicide/germanide-semiconductor heterojunctions provide a sharp interface with band-edge control and will be investigated as possible tunnel barriers to reduce ambipolar transport behavior generally observed in TFETs.

In this research proposal we merge: (a) on the personal level four research groups out of France and Austria, as well as (b) on the scientific level two significant advances in the area of heterostructure NWs and tunnel FETs: the realization of compositionally and doping modulated Si/Ge axial NW heterostructures as well as silicide/germanide-semiconductor heterojunctions with lengths suitable for device fabrication. The synthesis techniques will be based on the vapor-liquid-solid (VLS) approach and the use of controlled phase conversion by diffusion as a vehicle for creating sharp interfaces within particular NW materials, respectively.

Three promising systems will be investigated within our research: axial NW heterostructures of (i) Si and Ge with a p-i-n doping structure (ii) NW heterostructures of Si, Ge and Si-Ge alloyed NWs (iii) heterojunctions of Si and Ge NWs of different doping levels and as a first choice the respective silicides and germanides of Pt, Ni, Cu and Co.

The resulting NW heterostructures will need a comprehensive structural characterization using e.g. transmission electron microscopy (TEM), X-Ray diffraction and confocal Raman microscopy so that the optimum synthesis parameters can be identified. The main focus of this project is the investigation of the correlation between the structures and electronic functionality, in order to enable novel electronic devices.

At the end of the project, proto-type TFETs will be realized and their electrical properties will be investigated by combining I(V), C(V) measurement at room and cryogenic temperature. The results will be correlated with the simulation performed to understand the physics of the devices.

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.