Cryogenic Si and SiGeSn Schottky-Barrier Field-Effect Transistors

Die Kryoelektronik gewinnt zunehmend an Bedeutung für Anwendungen wie Ausleseschaltungen in der Quanteninformatik sowie für die Datenverarbeitung bei tiefen Temperaturen, bei denen konventionelle dotierte CMOS-Technologien grundlegenden Einschränkungen unterliegen. Insbesondere Dotierstoff-Freeze-out, Bandflankenverbreiterung sowie ein ungünstiges Schwellenspannungsverhalten führen bei kryogenen Temperaturen zu einer deutlichen Verschlechterung der Bauelementeigenschaften. In dieser Arbeit werden Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) experimentell untersucht, wobei der Schwerpunkt auf ihrem Verhalten bei kryogenen Temperaturen liegt. Der Hauptfokus liegt auf siliziumbasierten rekonfigurierbaren Feldeffekttransistoren (RFETs), die durch eine elektrostatische Kontrolle der Metall-Halbleiter-Übergänge sowohl einen n- als auch einen p-Betrieb ermöglichen. Deren elektrische Eigenschaften werden im Temperaturbereich zwischen Raumtemperatur und 4.5 K hinsichtlich des Subthreshold-Swings, der Schwellenspannung, der Transkonduktanz sowie der Ein- und Ausschaltströme analysiert. Ergänzend dazu wird ein vergleichbarer SiGeSn-basierter p-SBFET mit einer Kanalzusammensetzung von 33% Silizium, 66% Germanium und 0.5% Zinn sowie Al2O3 als Gate-Dielektrikum untersucht, um den Einfluss eines alternativen Kanalmaterials und der Gate-Stack-Struktur auf das kryogene Bauelementverhalten zu bewerten. Für die Si-RFETs wird ein stabiler Betrieb sowohl im n- als auch im p-Modus über den gesamten untersuchten Temperaturbereich nachgewiesen. Beim Abkühlen zeigt sich für beide Betriebsarten eine deutliche Verbesserung des Subthreshold-Swings, wobei bei 4.5 K Werte von 24 mV/dec für den n-Betrieb und 27 mV/dec für den p-Betrieb extrahiert wurden. Die Analyse des stromabhängigen Subthreshold-Verhaltens offenbart unterschiedliche Transportregime, bei denen die thermionische Emission den Subthreshold-Bereich dominiert, während Tunnelprozesse im Einschaltzustand bei kryogenen Temperaturen mehr an Bedeutung gewinnen. Trotz des günstigen Subthreshold-Verhaltens verschiebt sich die Schwellenspannung der Si-RFETs mit abnehmender Temperatur in eine ungünstige Richtung, wodurch sich der Einschaltpunkt vom gewünschten Arbeitspunkt entfernt. Der SiGeSn-basierte SBFET zeigt bei kryogenen Temperaturen eine vergleichbare Verbesserung der Subthreshold-Eigenschaften, einschließlich einer starken Unterdrückung des Ausschaltstroms sowie eines steilen Subthreshold-Swings von etwa 23vmV/dec bei 5 K. Im Gegensatz zu den Si-RFETs verbessert sich die Schwellenspannung des SiGeSn-Bauelements beim Abkühlen, wobei, abhängig von der angelegten Drain-Source-Spannung, Reduktionen von bis zu 25% bzw. 50% beobachtet wurden. Diese Ergebnisse verdeutlichen, dass das kryogene Schwellenspannungsverhalten maßgeblich durch das verwendete Kanalmaterial und die Gate-Stack-Struktur beeinflusst wird und keine Eigenschaft von Schottky-Barrieren-Bauelementen darstellt. Zusammenfassend zeigt diese Arbeit, dass Schottky-Barrieren-basierte Transistoren ein robustes Betriebsverhalten bei kryogenen Temperaturen mit deutlich verbesserten Subthreshold-Eigenschaften aufweisen. Gleichzeitig wird deutlich, dass ein günstiges Schwellenspannungsverhalten weiterhin eine zentrale Herausforderung für Sibasierte RFETs darstellt, was zukünftige Arbeiten zur gezielten elektrostatischen Optimierung sowie zur Untersuchung alternativer Kanalmaterialien für energieeffiziente kryogene Elektronik motiviert.