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Auf dem Weg ins Zeitalter der Nanoelektronik

Von der Mobilkommunikation und Computern bis hin zur Luft- und Raumfahrttechnik - überall sorgt die Mikroelektronik für die Verarbeitung der anfallenden Informationen. Angesichts des hohen Wettbewerbsdrucks auf diesem Gebiet der Technik konzentriert sich der Markt seit einiger Zeit auf einige Hauptaspekte der Mikroelektronik, so z.B. niedrige Kosten, einen hohen Integrationsgrad sowie bessere Hochfrequenzeigenschaften und höhere Störfestigkeit. Vor diesem Hintergrund wurde im Rahmen des Projekts SIGMUND ein n-Kanal-MOSFET unter Verwendung virtueller Substrate mit dünnen (unter 100 nm dicken) entspannten SiGe-Puffern entwickelt.

Digitale Wirtschaft

Betrachtet man die gegenwärtigen Trends auf dem Gebiet der Mikroelektronik, so erscheint die Entwicklung von Hetero-FETs auf Siliziumbasis unabdingbar, denn dieses Halbleitermaterial zeichnet sich durch eine höhere Ladungsträgerbeweglichkeit aus. Diese führt insbesondere bei verspanntem SiGe (oder verspanntem Si auf relaxiertem SiGe) im Kanal von MOS-Feldeffekttransistoren zu höheren Schaltgeschwindigkeiten. Mit dem SIGMUND-Projekt stellten sich die Projektpartner der Herausforderung, nMODFET-Transistoren auf relaxierten Pufferschichten für die NMOS-Technologie zu optimieren. Für n-Hetero-FETs sind dünne, entspannte Pufferschichten erforderlich. Im Projekt gelang nun die Entwicklung sehr dünner (d.h. weniger als 100 nm dicker) n-Kanals-MOSFETs auf der Basis von verspannten SiGe-Schichten mit einem Germaniumanteil von 35% und 50%. Während dieses Projekts wurden zahlreiche Studien durchgeführt. So wurden beispielsweise entspannte Schichten durch Rasterkraftmikroskopie, Röntgen-Kristallstrukturanalyse, Raman-Spektroskopie, Simulationen, optische Mikroskopie mit Nomarski-Kontrast vor und nach chemischem Feinätzen und Transmissions-Elektronenmikroskopie (TEM) untersucht. Alle diese Untersuchungen lieferten den Nachweis, dass die Eigenschaften dieser SiGe-Hetero-MOSFETs denen von klassischen FETs überlegen sind. Die im Rahmen von SIGMUND entwickelten SiGe-MOSFETs zeichnen sich durch hohe Relaxationsgrade und glatte Oberflächen aus, was vor allem auf das Wachstum bei sehr niedrigen Temperaturen und das als Surfactant verwendete Antimon zurückzuführen ist. Zur weiteren Optimierung der Ergebnisse wurden Studien zum Einfluss der Schichtzusammensetzung und der Wachstumsverhältnisse auf den Relaxationsgrad, die Oberflächenmorphologie und die Störstellenbildung durchgeführt. Erwähnenswert ist, dass der dabei angewandte Entwicklungsprozess so einfach ist, dass er sich auch in industriellem Rahmen problemlos implementieren lässt. Der optimale Ladungsträgertransport und die optimalen Leistungen des Bauelements wurden umfassend im Hinblick auf die Schichtverspannung, Quantum-Size-Effekte und die Bauelementabmessungen untersucht. Darüber hinaus halfen eingehende physikalische Simulationen bei der Spezifikation der optimalen Schichtkonfigurationen für eine erhöhte Ladungsträgerbeweglichkeit und einen höheren Laststrom. Die Ergebnisse der Bauelemente-Charakterisierung im Hinblick auf die Temperatur (im Bereich von 50 bis 300 K) können als Feedback-Informationen für die Bauelementeoptimierung in elektrischen Modellen und für mögliche Anwendungen in prädiktiven Schaltungssimulationen dienen. Die umfassende Charakterisierung wurde hauptsächlich mit Hilfe von Hochfrequenzmessungen durchgeführt, mit denen die mögliche Verwendbarkeit dieser Bauelemente in Raumfahrtanwendungen (also bei Kryotemperaturen) nachgewiesen wurde. Die Forscher erwarten außerdem, dass die besseren Eigenschaften der Bauelemente eine Anwendung der auf Si basierenden Technologie bis in den Mikrowellenbereich hinein zulassen werden.

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