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Experimental studies on germanium-tin p-channel tunneling field effect transistors
(2017) Rolseth, Erlend Granbo; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
Recent years have shown a growing interest in device concepts based on quantum mechanical tunneling. The tunneling field effect transistor (TFET) is a device that competes directly with the metal-oxide-semiconductor field effect transistor (MOSFET) in terms of speed, power and area. The drive current injection mechanism in TFETs is a band-to-band tunneling (BTBT) current and the promise of the TFET lies in its steep subtreshold current-voltage (I-V) characteristics, which is not restricted by the MOSFET’s 60 mV/dec limit at room temperature. TFETs could perform better at low supply voltages, but improvement of the drive current is necessary to outperform the MOSFET. In this work different device tuning strategies for the p-channel germanium (Ge) TFET are studied. Modifications involving the semiconductor material and doping profiles are investigated with the aim of increasing the tunneling probability and achieving high drive currents. This investigation has been conducted through designing, fabricating and characterizing the vertical TFET structures. Vertical semiconductor structures were grown by means of molecular beam epitaxy (MBE), and the vertical devices were fabricated using a gate-all-around (GAA) geometry fabrication process. It is shown that the drive current (ION) can be effectively increased by the introduction of germanium-tin (GeSn) in the channel. A successive increase in ION is seen when increasing the tin (Sn)-content, x, in a germanium-tin (Ge1-xSnx) channel from x = 0 % to x = 2 % and x = 4 %. This is due to the lowering of the bandgap, which effectively increases the tunneling probability. Furthermore, it is found that when Ge0.96Sn0.04 is confined within a 10 nm delta-layer, TFET device performance can be tuned by shifting the position of this layer at the source-channel interface. A high ION is achieved when this layer is completely inside the channel, while the leakage current (IOFF) is reduced when this layer is shifted from the channel and into the source. A complicating factor with incorporating Ge1-xSnx in the p-channel Ge TFETs is found to be the difficulty of maintaining a high epitaxial quality when increasing the Sn content. Together with the lowering of the bandgap, this is shown to degrade the IOFF and subthreshold swing (SS) of the device through increased Shockley-Read-Hall (SRH) generation and trap-assisted tunneling (TAT) currents. This further calls into question the feasibility of achieving acceptable performance with GeSn as channel material. Based on the results, some device performance strategies are discussed. Varying the source doping concentration in p-channel Ge TFETs with gate-source overlap is found to mainly influence the subthreshold characteristics of the devices. Steeper subthreshold characteristics is found with increasing source doping concentration. This correlation is believed to be a result of TAT in the source-gate overlap region. Contrary to results from published simulation studies, no effect of varying the source doping concentration on ION could be distinguished for the doping levels investigated. A MBE pre-buildup technique of antimony (Sb) is investigated as a means to achieve steep source doping profiles in vertical p-channel Ge TFETs. It is seen that for a Sb pre-buildup concentration of 1/20 monolayer (ML), both ION and SS is improved. This is explained by that the extent of the tunneling barrier into the source region is reduced, leading to an increase of the tunneling probability and improvement of the band pass filtering. The boost in ION is small, but the pre-buildup technique imposes no extra load onto the TFET fabrication process and can easily be combined with other strategies for boosting the drive current for TFETs. The results also suggests that an optimal pre-buildup doping exists. In this work also the aluminum oxide (Al2O3), which is used as gate oxide, and the Ge/Al2O3/Al system is studied. A germanium oxide (GeOx)-passivation achieved through post-plasma oxidation and a sulfur (S)-passivation achieved through an aqueous Ammonium sulfite solution treatment, are both investigated through the fabrication and electrical characterization of MOS-capacitors. For the sample passivated with GeOx, a hysteresis and a shift in the flatband voltage is explained by acceptor traps in the oxide. A general parallel shift of the capacitance-voltage (C-V)-curve towards positive gate voltages indicates fixed negative charges and an O-rich Al2O3. It is suggested that these O-rich regions could be induced by the post plasma oxidation treatment. Temperature dependent current-voltage (I-V)-characteristics indicate a Schottky emission process as the main transport mechanism through the oxide at low electric fields. The effect of S-passivation of the Ge surface is seen to reduce both the C-V hysteresis and the leakage current in the low E-field region. The measured oxide capacitances also reveal that this does not come at the expense of a thicker equivalent oxide thickness (EOT).
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Germanium-Lumineszenzdioden mit optischem Resonator für optoelektronische integrierte Schaltkreise
(2019) Gollhofer, Martin; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
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Der Germanium-Zener-Emitter für die Silizium-Photonik
(2020) Körner, Roman; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
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Herstellung, Charakterisierung und Simulation von Germanium-p-Kanal-Tunneltransistoren
(2019) Hähnel, Daniel; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
Im Rahmen der Arbeit wird eine Einordnung gegeben, inwiefern der TFET in der heutigen Skalierung der Mikroprozessoren eine Alternative zum konventionellen MOSFET-Aufbau darstellen kann. Im Speziellen wurde der Germanium-p-Kanal-Tunneltransistor experimentell über die Prozessentwicklung eines GAA-Aufbaus (komplett umgebende Gate-Elektrode, engl. Gate-All-Around-Structure) realisiert und über die physikalische Modellierung des Schaltverhaltens betrachtet.
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Layout automation in analog IC design with formalized and nonformalized expert knowledge
(2018) Marolt, Daniel; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
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Modulationsdotierte Germanium-MOSFETs für den Spin-Transport in zweidimensionalen Lochgasen
(2023) Weißhaupt, David; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
Die Halbleiter-Spintronik beschäftigt sich mit der Entwicklung neuer Bauelementkonzepte, die den intrinsischen Spin-Freiheitsgrad des Elektrons ausnutzen. Dabei werden spin-basierte Logik-Bauelemente aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten der Spin-Orientierung als aussichtsreiche Kandidaten für zukünftige Transistor-Anwendungen diskutiert. Anzuführen sind hierfür beispielsweise der Spin-Feldeffekttransistor (FET) nach Datta und Das sowie der Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-FET von Sugahara und Tanaka. Für diese Bauteilkonzepte müssen jedoch vier grundlegende Komponenten beherrscht werden: Die Spin-Information muss in den Halbleiter eingebracht (Spin-Injektion), transportiert sowie evtl. manipuliert (Spin-Transport & Spin-Manipulation) und final wiederum detektiert (Spin-Detektion) werden. Für die Integration dieser Bauelemente in die bestehende komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter-Technologie ist eine elektrische Spin-Injektion bzw. Spin-Detektion notwendig. Die Realisierung von halbleiterbasierten spintronischen Bauelementen erfordert allerdings ein Materialsystem, das gute Spin-Transporteigenschaften sowie eine starke Spin-Bahn-Wechselwirkung für eine potenzielle Spin-Manipulation aufweist. Als vielversprechendes System hat sich hier das zwei-dimensionale Lochgas (engl. „two-dimensional hole gas“, 2DHG), welches in einer Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur gebildet wird, erwiesen. Trotz der guten Eignung dieses Systems konnte bisher noch keine elektrische Spin-Injektion demonstriert werden, hauptsächlich wegen der Schwierigkeit, zuverlässige ferromagnetische Kontakte mit dem vergrabenen 2DHG herzustellen. Diese Arbeit befasst sich nun mit der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion in ein hochbewegliches (µ = (3,02 ± 0,01) ⋅ 10^4 cm^2/Vs) Ge 2DHG. Die für das Ge 2DHG zugehörige Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur wurde dabei mittels Molekularstrahlepitaxie epitaktisch auf einem Si-Substrat gezüchtet. Um dieses Ziel zu erreichen, werden verschiedene Untersuchungsschwerpunkte adressiert. Zunächst werden zur Optimierung der Spin-Transporteigenschaften unterschiedliche Designs der Si1-xGex/Ge/Si1-xGex Heterostruktur auf der (100) Kristallorientierung untersucht. Dazu wurden anhand von Hall-Strukturen Tieftemperaturmagnetwiderstandsmessungen durchgeführt. Hierbei werden Shubnikov-de Haas Oszillationen beobachtet, aus denen die Ladungsträgerdichte, effektive Masse und Quantenstreuzeit des Ge 2DHGs extrahiert werden. Das daraus resultierende optimierte Design mit einer Modulationsdotierung von N_A = 5 ⋅ 10^17 cm^-3 und einer Ge-Quantentopf (engl. „quantum well“, QW) Dicke von d = 15 nm wird dann auf die (111) Kristallorientierung übertragen. Für die elektrische Spin-Injektion und Spin-Detektion werden als ferromagnetischen Kontakt dünne Mn5Ge3-Schichten, die mittels Interdiffusion direkt in den Ge-QW wachsen, benutzt. Dazu wird vor der Bildung der Kontakte die gesamte Si1-xGex-Deckschicht oberhalb des Ge-QWs mithilfe eines Trocken-Ätzprozesses entfernt. Zur Untersuchung der magnetischen Eigenschaften werden die so hergestellten Mn5Ge3-Mikromagnete mit einem supraleitenden Quanteninterferenzmagnetometer analysiert. Dabei konnte nur für die (111) Kristallorientierung die ferromagnetische Natur der gewachsenen Mn5Ge3-Schicht nachgewiesen werden. Durch die Variation der Formanisotropie ergeben sich unterschiedliche Koerzitivfeldstärken. Der Nachweis der elektrischen Spin-Injektion erfolgt schließlich anhand von Magnetwiderstandsmessungen an lateralen Mn5Ge3/Ge 2DHG/Mn5Ge3 Spin-Ventil Bauelementen. Dazu werden die zuvor untersuchten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakte in einem Abstand von ca. l ≈ 135 nm im vergrabenen Ge-QW platziert. Die Experimente zeigen einen Riesenmagnetowiderstand (engl. „giant magneto resistance“, GMR) als Nachweis einer erfolgreichen elektrischen Spin-Injektion. Neben der elektrischen Spin-Injektion beinhaltet das auch den Spin-Transport im Ge 2DHG sowie die finale Spin-Detektion am zweiten ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakt. In Übereinstimmung zu den Spin-Transportuntersuchungen zeigt das GMR-Signal eine starke Abhängigkeit von der Temperatur und konnte bis zu einer maximalen Temperatur von T = 13 K beobachtet werden. Neben der elektrischen Spin-Injektion und Spin-Detektion wird für die Realisierung von Spin-Transistoren eine funktionierende Gate-Technologie vorausgesetzt. Um diese zu demonstrieren, werden zunächst auf Basis des Ge 2DHGs klassische modulationsdotierte Feldeffekttransistoren (MODFET) hergestellt und elektrisch charakterisiert. Mit einem An-Aus-Verhältnis von I_ON/I_OFF = 3,2⋅10^6 bei einer Steilheit von SS = 64 mV⁄dec könnte der Ge 2DHG MODFET unabhängig von der Halbleiter-Spintronik auch für zukünftige Tieftemperaturanwendungen interessant sein. Der Spin-FET nach Datta und Das würde dann durch das Tauschen der Source-Drain-Kontakte in ferromagnetische Mn5Ge3-Kontakte entstehen. Technologisch bedingt sind im Rahmen dieser Arbeit allerdings nur Transistoren mit einer minimalen Gate-Länge von L = 1 µm herstellbar. Da der Spin im Ge 2DHG über diese Länge nicht transportiert werden kann, ist die Realisierung eines Spin-Transistors technologiebedingt nicht möglich.
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Molekularstrahlepitaxie und Charakterisierung unverspannter Silizium-Germanium-Zinn-Legierungen auf virtuellem Germanium-Substrat
(2022) Schwarz, Daniel; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
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Monolithic opto-electronic co-integration on the example of a photonic-assisted, high-end sampler
(2018) Krüger, Benjamin; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
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Plasmonische Strukturen auf Ge-Photodioden zur Integration von kollinearen Biosensoren
(2019) Augel, Lion; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
Die Arbeit betrachtet unterschiedliche integrierte kollineare refraktive plasmonische Sensoren auf der Basis von Ge-Photodioden. Die plasmonischen Strukturen werden dabei in silizium-kompatibler Technologie direkt auf der Photodiode realisiert. Anhand des Herstellungsablaufs und elektro-optischer Messungen wird die Eignung der einzelnen Konzepte hinsichtlich der Anwendbarkeit in der refraktiven Biosensorik diskutiert.
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Spininjektion und Spintransport in Germanium
(2020) Bechler, Stefan; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
Die dominante Technologie zur Herstellung von Logikbauelementen ist die Si-basierte komplementäre Metall-Oxid-Halbleiter(CMOS)-Technologie. Aufgrund der zunehmenden Miniaturisierung und eines absehbaren Endes des Mooreschen Gesetzes sind „Beyond-CMOS“-Konzepte als mögliche Nachfolger der klassischen Miniaturisierung der CMOS-Bauelemente immer stärker im Fokus. Spintronische Logik-Bauelemente gelten dabei aufgrund des geringen Energiebedarfs zum Umschalten als aussichtsreiche Kandidaten der „Beyond-CMOS“-Konzepte. Bei den meisten spintronischen Bauelementen, wie dem Spin-Feldeffekttransistor (Spin-FET) oder dem Spin-Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Spin-MOSFET), sind die Spininjektion, der Spintransport, die Spinmanipulation sowie die Spindetektion von spinpolarisierten Ladungsträgern die grundlegenden Mechanismen, die es zu optimieren gilt. Diese Arbeit befasst sich mit der Spininjektion und dem Spintransport in hochdotierten Ge-Kanälen mit ferromagnetischen Mn5Ge3-Kontakten. Hierzu wird das Wachstum von Ge auf Si(111)-Substraten untersucht und ein Herstellungsprozess von 3-Terminal- und 4-Terminal-Strukturen für den Nachweis von Spininjektion mit einer Hanle- und Spin-Ventil-Messung entwickelt. Für die zur elektrischen Spininjektion benötigten ferromagnetischen Kontakte wird ein CMOS-kompatibler Herstellungsprozess von Mn5Ge3 entwickelt. Durch Hanle-Messungen an den hergestellten Strukturen wird der Nachweis der Spininjektion in n-Ge und p-Ge erbracht. Zur Optimierung der Spindiffusionslänge, welche von der Beweglichkeit des Materials abhängt, werden die Hochbeweglichkeitskanäle von modulationsdotierten Feldeffekttransistor-Strukturen (MODFET-Strukturen) untersucht. Zur Untersuchung des Einflusses von Mn5Ge3 auf die elektrischen Eigenschaften von Bauelementen sowie für den optischen Nachweis von Spininjektion werden Ge p i n Dioden mit Mn5Ge3-Kontakten hergestellt und ihre Eignung als Spin-Photodioden und Spin-Leuchtdioden evaluiert. Im Detail wird folgendes in der Arbeit gezeigt: Das Wachstum von undotiertem sowie n-Typ und p-Typ dotiertem Ge auf Si(111) erfolgt mit der Molekularstrahlepitaxie und zeigt qualitativ hochwertige Schichten mit einer geringen Defektdichte NDefekt < 1·107 Defekte/cm2. Die 3-Terminal- und 4-Terminal-Strukturen werden durch reaktives Ionenätzen in Form einer Mesa strukturiert, mit SiO2 passiviert und das aufgedampfte Mn und Al mit einem Lift-Off-Prozess strukturiert. Durch einen schnellen Temperprozess entsteht durch eine Germanidierung des aufgedampften Mn und der darunterliegenden Ge-Schicht das ferromagnetische Mn5Ge3 in polykristalliner Form. Dabei zeigt sich eine atomar glatte Grenzfläche zwischen Ge und Mn5Ge3. Magnetisierungsmessungen zeigen, dass die thermische Umwandlung zu Mn5Ge3 sowohl für intrinsische, hoch p-dotierte als auch hoch n-dotierte Ge-Schichten (NA = 1·1020 cm−3, ND = 1·1020 cm−3) funktioniert. Die spezifischen Kontaktwiderstände sind dabei mit ρc < 1·10−6 Ωcm2 sehr niedrig. Es wird gezeigt, dass die Integration des Germanidierungsprozesses von Mn5Ge3 in einen CMOS-Herstellungsprozess denkbar ist. Zur Überprüfung, ob mit dem so hergestellten Mn5Ge-Kontakt Spininjektion in Ge möglich ist, werden Hanle-Messungen zunächst an 3-Terminal-Strukturen durchgeführt. Der Nachweis der Spininjektion kann dabei für n-dotiertes Ge mit einem Tunnelkontakt mit Al2O3/Mn5Ge3 bis zu einer TemperaturTProbe = 11 K erbracht werden. Die Spinlebensdauer beträgt dabei τs = 25 ps bei TProbe = 1,5 K, die Diffusionslänge λspin = 306 nm. Bei den n- und p-dotierten Proben mit Mn5Ge3 zeigen sich aufgrund der Polykristallinität der Mn5Ge3-Schicht Domäneneffekte und verhindern durch die Überlagerung des Hanle-Signals eine sinnvolle Extraktion der Spinlebensdauer. Für einen validen Nachweis der Spininjektion werden Hanle- und Spin-Ventil-Messungen an einer 4-Terminal-Struktur durchgeführt. Mit einer 4-Terminal-Struktur mit Mn5Ge3-Kontakten und einem p-dotiertem Ge- Kanal kann die Spininjektion bis zu einer Temperatur TProbe = 40 K gezeigt werden. Dabei zeigen die Messungen ein Hanle-Signal für beide Orientierungen des Magnetfelds. Dieses Verhalten kann mit den Domäneneffekten der Mn5Ge3-Schicht begründet werden. Die aus dem Hanle-Signal extrahierte Spinlebensdauer beträgt τs = 4 ps bei TProbe = 5 K, die Spindiffusionslänge λspin = 70 nm und die Polarisation PGe = 1,3 %. Die Hanle-Messungen an der 4-Terminal-Struktur zeigen, dass durch die CMOS-kompatible Herstellung des Mn5Ge3 Spinjektion in p-Ge möglich ist. Für den Nachweis der Spininjektion bei höheren Temperaturen gilt es die Spininjektion und den Spintransport zu optimieren. Eine Möglichkeit zur Verbesserung der Spindiffusionslänge besteht darin, MODFET-Strukturen mit hoher Beweglichkeit im Kanalgebiet zu verwenden. Hierzu werden SiGe-MODFET-Strukturen auf Si(111)-Substraten untersucht. Im Vergleich zu einer MODFET-Struktur auf Si(100) mit hoher Beweglichkeit zeigen die hergestellten Strukturen auf Si(111)-Substraten eine geringere Beweglichkeit. Die Transmissionselektronenmikroskopie zeigt, dass oberhalb des Si Kanalgebiets ein parasitärer Kanal vorliegt und so verhindert, dass die Elektronen in den Si-Kanal gelangen können. Dies wiederum erklärt, warum es nicht zu der erwarteten hohen Beweglichkeit der MODFET-Struktur kommt. Zur Überprüfung des Einflusses von Mn5Ge3 auf das elektrische Verhalten von Halbleiterbauelementen werden Ge p i n Dioden mit Mn5Ge3 hergestellt und untersucht. Die hergestellten Dioden zeigen, dass sich Mn5Ge3 als Kontaktmaterial für Dioden eignet und im Vergleich zu Al einen sehr geringen Kontaktwiderstand zu n-Ge bildet. Die Dioden sind optisch aktiv und können für Untersuchungen der optischen Spininjektion als Spin-Photodioden und Spin-Leuchtdioden verwendet werden. Mit der Arbeit ist somit gezeigt, dass sich Mn5Ge3 als ferromagnetischer Kontakt für Ge-basierte spintronische Halbleiterbauelemente eignet und Ge in Kombination mit Mn5Ge3 großes Potential zur Realisierung von Spin-FETs bzw. Spin-MOSFETs von bietet.
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Untersuchung der CMOS-kompatiblen Materialien Aluminium, Nickel, Titan, Germanium und Germanium-Zinn für plasmonische Anwendungen
(2022) Berkmann, Fritz; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
In dieser Arbeit wurden mehrere Materialien auf ihre Tauglichkeit für plasmonische Anwendungen untersucht. Dazu wurden Kammantennen aus Ge/GeSn sowie Nickel und Titan hergestellt und auf ihre Eignung als Pixel für thermographische Anwendungen untersucht. Zudem wurden Aluminium-Nanolochgitter hergestellt, welche als Brechungsindexsensoren und Biosensoren eingesetzt werden können.
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Vertical Ge/SiGeSn-based p-channel nano field-effect transistors integrated on Si
(2020) Elogail, Yasmine; Schulze, Jörg (Prof. Dr. habil.)
In this work, the fabrication and the electrical characterization of the germanium-based vertical p-channel planar-doped barrier field-effect transistor is investigated for the first time. Setting and adjusting the device design parameters and performing experimental iterations, the fabrication process was achieved successfully. Further enhancement of the device performance was accomplished through analysing the electrical characterization and introducing amendments to the fabrication process. Concurrently, a study of Ge/oxide interface was performed by introducing several surface treatments prior to gate oxide deposition and using capacitance voltage characterization to evaluate the resulting interface quality. The surface treatments were first applied to germanium-based metal-oxide-semiconductor capacitor structures that are integrated on silicon as well. Surface treatments included conventional and non-conventional treatment methods in addition to combinations of both. Subsequently, some of the best results were used in the transistor device fabrication to prove the validity of the results of this study. The results obtained for germanium-based planar-doped barrier field-effect transistor devices integrated on silicon are optimistic, using relatively large sized devices with a simple manufacturing process, which are competitive in electrostatic performance to more complicated and aggressively scaled devices from literature. Fabricated devices show the potential for energy efficient systems by achieving sufficiently low off currents. Furthermore, leakage current sources are studied through low temperature measurements and applying the studied surface treatment for additional possible progress. Low temperature measurements showed the potential of the superior device performance and competent subthreshold swing to literature, supported by simulation analysis of reduced effective oxide thickness. A comparison is demonstrated between this work and other similar channel length devices from literature that are defect free to elaborate the excellent possible performance of the devices in this work. Along with the fabrication and characterization of the devices, a simulation model based on extracted material data from the experimental work and literature is produced. Based on the model, a proposed design of a modified device using both planar doping and a heterostructure in the channel is then presented. The channel-engineered design uses a lattice-matched germanium/silicon-germanium-tin heterostructure within the channel that can be introduced at different positions. The results show improved performance by virtue of the larger energy band gap of the ternary alloy compared to germanium, leading to suppression of the leakage currents as well as a reduced subthreshold swing, making the heterostructure device promising for ultra-low power device applications.