Transportuntersuchungen an Einzelelektronentransistoren auf Basis CMOS-kompatibler Silizium-MOSFETs

Abstract

Einzelelektronentransistoren sind vielversprechende Kandidaten für einen Ersatz konventioneller Transistoren, wenn diese aufgrund zunehmender Miniaturisierung an ihre Grenzen stoßen und nicht mehr zuverlässig funktionieren. Desweiteren können sie als ausgezeichnete Ladungssensoren in zahlreichen Anwendungen eingesetzt werden, um Ladungsänderungen bis auf ein Elektron genau aufzulösen. Im Zuge des EU-Projekts AFSID, in dessen Rahmen diese Arbeit entstand, wurden Einzelelektronentransistoren auf MOSFET-Basis zum ersten Mal großintegriert auf einer CMOS-Plattform hergestellt. Die kleinsten Gatelängen der so gefertigten Einzelelektronentransistoren betragen nur 20nm und ermöglichen hohe Ladeenergien mit theoretischen Betriebstemperaturen von bis zu 159 K. Elektrische Transportmessungen bei tiefen Temperaturen zeigen Coulomb-Blockade-Oszillationen und die charakteristischen Coulomb-Rauten. Die Kopplungsstärke zweier serieller Einzelelektronentransistoren konnte durch die Gatespannung variiert werden, was in unterschiedlichen Coulomb-Waben resultierte. In den Barrierenbereich diffundierte Dotieratome sowie Einzelelektroneneffekte im Polysiliziumgate konnten anhand zusätzlicher Rauten und Strukturen im Stabilitätsdiagramm identifziert werden. Es wurden elektrostatische Modelle entwickelt, deren Simulation stets gut mit den Messwerten übereinstimmten. Bei SET-FET-Hybrid-Strukturen konnten hysteretische Kennlinien im FET auf die Ladungscharakteristik des SETs zurückgeführt werden.