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Academic year: 2022

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(1)

14. November 2007 Theo Mustermann

Unsere Ziele

Das Forschungszentrum Jülich im Fokus

Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft

Detlev Grützmacher

Peter Grünberg Institut (PGI-9) Forschungszentrum Jülich

in collaboration with

CEA-LETI, MINATEC, 17 Rue des Martyrs, 38054 Grenoble Cedex 9, France

SOITEC, Parc Technologique des Fontaines, 38190 Bernin, France

Energy Efficient Transistors

(2)

Challenges in Nanoelectronics

strained Si

relaxed SiGe

1 nm

complex & expensive equipment scientific competence

excellent training and education

 interdisciplinarity

 broad material basis

 nanostructuring

 extensive nanoanalytics

 experiments on short/ultrashort time scales

Jülich Aachen Research

Alliance (JARA-FIT)

(3)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 3

INFORMATION

Jülich Aachen Research Alliance

– Fundamentals of Future Information Technology

28 Institutes of RWTH Aachen University and Forschungszentrum Jülich (11 FZJ; 17 RWTH) Contributing disciplines: Physics, Chemistry,

Electrical Engineering, Mechanical Engineering, Materials Science

Ernst-Ruska Center for Electron Microscopy - world leading facility jointly operated

Helmholtz Nanoelectronic Facility (under construction)

- leading cleam room facility for nanoelectronics

(4)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 4

Why electronics goes „nano“ !

• Scaling 32/28/22 nm density performance more economic

• Future devices will be „fully depleted“

requires ultrathin layers ultrathin fins

nanowires: horizontal or vertical

• Nano enables

one dimensional physics

novel technologies e.g material tuning, core shell structures better electrostatic control of the devices

higher energy efficiency

• Major challenges

lithography

better materials needed variability

Gate

Si 6nm SiO2

Source Drain

OO.Weber et al. IEDM2010

(5)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 5

Energy Efficiency Technology Driver

• Dynamic power dissipation

• Static power dissipation

(gate leakage and subthreshold leakage)

Most important levers to minimize power dissipation:

• Reduction of the supply voltage V dd

• Decreasing the inverse subthreshold slope S < 60mV/dec

P dyn ~ V 3

(6)

Lower V dd Increase I d !

Electrostatics

HfO 2

Higher- k diel.:

LaLuO 3

Scaling

≤ 22 nm Mobility

Access Resist.

Strained Si, sGe strained SiGe Silicide contacts

Device Design

FDSOI on UTB FinFET (NW)

How to improve switching?

Small slope switches: e.g. BTBT

(7)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 7

Si - NW-Array Transistor

1000 parallel wires

NW cross-section: 20x20nm 2 Gate oxide: 4nm SiO 2 n-type Poly-Si gate

4nm

Si – Nanowire (NW)-Array Transistor

Si NW

poly-Si

SiO 2

(8)

Ideal subthreshold swings, I on /I off ~ 10 10

Output Characteristics <110> Transfer Characteristics <110>

20 x 20 nm 2 NW Transistors Lg= 400 nm

S. Habicht et al. ESSDERC 2010

(9)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 9

Fast switches Steep slope devices

0

Current

OFF ON

Ideal switch

I on

-1,0 -0,5 0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 10

-7

10

-6

10

-5

10

-4

10

-3

10

-2

10

-1

10

0

10

1

I d (µ A/µm)

V g (V)

OFF ON

V dd

MOSFET

(10)

MOSFET vs. TFET

Thermal emission over potential barrier

Band-to-band

tunneling

(11)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 11

How to increase BTBT current ?

 Improve electrostatic gate control, decrease λ

 High-k gate dielectric

) (

3

2 exp 4

~

g 2 3 g

WKB q E

E T m

I ds

Source Drain Gate

Source

Drain Gate

 Decrease E g and m*

 Tensile strained Si

 SiGe

 Heterostructures

λ : Screening length of electrical potential E

g

: Bandgap

m*: Effective mass

(12)

• HfO 2 , TiN gate stack

• ε ox = 22

• Conformal deposition by ALD and AVD

High-k and metal gate

Nanowire array

2 µm gate

100 nm gate

(13)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 13

• Best slope 76 mV/dec

• Average slope 97 mV/dec (10 -8 to 10 -4 µA/µm)

• Ambipolar characteristics

Transfer characteristics

Drain p+ Gate

Source n+

pTFET

V D < 0 V V G < 0 V

V S = 0 V

Tunnel junction n

+

source to channel

S. Richter, Q.T. Zhao, S. Mantl et al., IEEE EDL submitted

(14)

SOI Si 0.5 Ge 0.5

Si i

HfO2

TiN

p +

n +

Nanowire array

Source Drain

18 nm 10 nm

SiGe/Si nanowire heterostructure

Increased tunnel area for BTBT

SiGe

SOI

Free standing Si nanowire

(15)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 15

Nanowires in Nanoelectronics: Examples

nanotransistor Single-electron

spin-qubit

spin-transistor

- phase coherence - spin transport important issues:

e 200nm

InN

(16)

Selective area growth

Metal-organic vapor phase epitaxy

(MOVPE)

InAs

Length: ~5µm

Diameter: ~100nm

(17)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 17

Single Electron Tunneling

S D

back gate

S D

defect

(18)

Nanowires for Spin-Transistors?

500 nm

Gate fingers

Andreas Bringer , Th. S. (subm. PRB)

How does the spin precess in a ballistic

tubular system?

(19)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 19

Topological Insulators

March 25th, 2011 slide 19

Graphene

Two opposite spin states form a single massless Dirac fermion and the crossing of their dispersion branches at a time-reversal invariant point is protected by the

time-reversal symmetry

HgCdTe/HgTe QW

König et.al.

J. Phys. Soc. Jpn.,77, 031007 (2008)

Quantum Spin Hall Effect

Bi 2 Se 3 , Bi 2 Te 3 and Sb 2 Te 3

Zhang et.al.

Nature Physics 5, 438 (2009)

(20)

MBE on Si (111) substrates

Quintuple layer by quintuple layer growth

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

-1 0 1

Height (nm)

Distance (µm)

0 10 20 30 40 50

Si(222)

Si(111) 00 21

00 18

00 15

006

Intensity (arb. units)

(degree)

single crystal Bi2Te3 crystal is (001)-oriented

003

Bright atoms: Bi

Dark atoms: Te

(21)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 21

ARPES Scans

v F = 3.05x10 5 m/s

(22)

Our Research Value Chain

Si Nanowire CMOS Technology

Tunnel-FET (Ge => III/V compounds) III/V Nanowires and Spintronics

Topological Insulators

(Spintronics => Quantum Computation)

Today Tommorow

Beyond

(23)

Peter Grünberg Institute (PGI-9) 23

Acknowledgement Team at PGI-9

EU Medea Project: „DECISIF“,

„KZWEI“

supported by

(24)

Quantum Transport

Christian Blömers Karl Weis

Yusuf Gunel

Sergio Estévez Hernández Thomas Richter

Stephan Wirths Shima Alagha Gunnar Petersen Christian Volk

Hans Lüth Igor Batov

Alexey Zhukov (ISSP Chernogolovka)

Theory

Nataliy Demarina

Andreas Bringer (IFF, FZ Jülich)

Marco Pala (MINATEC, Grenoble)

Wire Growth / Fabrication

Raffaella Calarco Hilde Hardtdegen Mike Lepsa

Kamil Sladek Andreas Winden Fabian Haas Torsten Rieger Jürgen Schubert

PGI-9 Detlev Grützmacher

Referenzen

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