Advanced MOS and Power MOS

Die stete Miniaturisierung mikro- und nanoelektronischer Bauelemente führt zu dem Problem, dass kritische Bauelementdimensionen in den Sub-10 nm Bereich fallen und somit quantenmechanische Effekte wie z.B. Tunneln durch das Gate-Dielektrikum auftreten und das klassische Verhalten der Bauelemente überlagern oder gar zerstören. Unser Ziel in der Nanoelektronik ist es, quantenmechanische Effekte auszunutzen und in neuen Bauelementkonzepten zu funktionalisieren.
Ein Beispiel dafür ist der Tunnel-Feldeffekt-Transistor (TFET) , ein MOS-Gate-kontrollierter Esaki-Tunnelkontakt, wie in folgender Abbildung dargestellt:

Abbildung:
Links: Schematische Darstellung und rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (oben) von TFETs;
rechts: Ausgangskennlinien von Silizium- und Germanium-TFETs im Vergleich mit Anforderungen der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS)

Der Strom I_ON im eingeschalteten Zustand ist hierbei ein Gate-kontrollierter Tunnelstrom vom Source- zum Drain-Kontakt. Vorteile des Tunneltransistors gegenüber konventionellen MOS-Feldeffekttransistoren sind die niedrigen Ströme I_OFF im ausgeschalteten Zustand, ein schnelleres Einschaltverhalten des Transistors sowie die Skalierbarkeit. Allerdings konnte bislang noch kein Tunneltransistor hergestellt werden, dessen Strom ION im eingeschalteten Zustand hoch genug ist, um den Anforderungen der Halbleiterindustrie zu genügen.
Wir arbeiten an systematischen Geometrie- und Materialveränderungen für Tunneltransistoren, mit dem Ziel, Bauelemente herzustellen, die den konventionellen MOSFET an Leistungsfähigkeit übertreffen.

D. Hähnel, M. Oehme, M. Sarlija, A. Karmous, M. Schmid, J. Werner, O. Kirfel, I. Fischer, J. Schulze, "Germanium vertical Tunneling Field-Effect Transistor", Solid State Electronics, 62, pp.132-137 (2011)

Quantenmechanische Effekte treten verstärkt in niedrigdimensionalen Strukturen wie z.B. Quantenpunkten oder Quanteninseln auf. Diese Quantenpunkte sind Potentialtöpfe für Elektronen oder Löcher, die z.B. durch gezielte Variation von Materialien oder Dotierungen realisiert werden können. Beispiele für Quantenpunkte sind Germanium-Inseln in Silizium-Kristallen, Quanteninseln können aber auch in makroskopischen Bauelementen wie Planar-Doped-Barrier Feldeffekt-Transistoren (PDBFETs) durch spezielle Wahl der Dotierstruktur und äußere elektrische Felder erzeugt werden.

Abbildung:
Links: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme von Germanium-Inseln in Silizium-Fenstern;
rechts: Rekonstruktion der Geometrie einer solchen Germanium-Insel.

Wir forschen daran, Quantenpunkte gezielt in Bauelemente einzubringen und die Quanteneffekte in niedrigdimensionalen Strukturen auszunutzen.

A. Karmous, O. Kirfel, M. Oehme, E. Kasper, J. Schulze, "MBE Growth of Ge Quantum Dot Structures in Oxide Windows", IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering, 6, 012020 (2009)