Simulation von Prozessen und Anlagen

Simulationsmodelle für Feldeffekttransistoren aus Siliziumnanodrähten#

Transferkennlinien von Silizium-basierten rekonfigurierbaren Feldeffekttransistoren mit NiSi2-Kontakten. Änderungen in der atomaren Struktur ändern maßgeblich die Symmetrie zwischen Elektron- und Lochströmen.
© Fraunhofer ENAS
Transferkennlinien von Silizium-basierten rekonfigurierbaren Feldeffekttransistoren mit NiSi2-Kontakten. Änderungen in der atomaren Struktur ändern maßgeblich die Symmetrie zwischen Elektron- und Lochströmen.
Die Oxidation von Nanodrähten führt zu einer Reduktion des Durchmessers, was zu verstärkten Quanteneffekten und zum Beispiel zu einer erhöhten Bandlücke führt.
© Fraunhofer ENAS
Die Oxidation von Nanodrähten führt zu einer Reduktion des Durchmessers, was zu verstärkten Quanteneffekten und zum Beispiel zu einer erhöhten Bandlücke führt.

Siliziumnanodrähte stellen eine vielversprechende und zuverlässige Möglichkeit zur Entwicklung von leistungsfähigen Transistoren dar. Bei Verwendung geeigneter Kontaktmaterialien können rekonfigurierbare Transistoren gebaut werden, welche je nach Programmierung Elektronen oder Löcher leiten. Dadurch werden rekonfigurierbare Schaltungen möglich. In hochoptimierten Transistoren ist dabei die atomare Struktur am Kontakt als auch die Struktur des Nanodrahts selbst zunehmend wichtig.

Um den Zusammenhang zwischen atomarer Struktur und Transistor-Eigenschaften zu untersuchen, wurde ein Modell basierend auf Dichtefunktionaltheorie (DFT) entwickelt. Es konnte gezeigt werden, wie die Struktur von NiSi2-Silizium-Grenzflächen an den Kontakten die Symmetrie von Elektron- und Lochströmen beeinflusst. Für {111}-Grenzflächen ändert beispielsweise eine Rotation des Siliziumgitters relativ zum NiSi2-Gitter um 180° die An-Ströme um ungefähr eine Größenordnung. Basierend auf derartigen Modellen können wir die elektronischen Transporteigenschaften auf grundlegende Materialeigenschaften, z.B. die Schottky-Barrierenhöhe, zurückführen.

Um die Eigenschaften von Siliziumnanodrähten und deren Kontakte zu optimieren, kann durch Oxidation das Atomgitter gezielt mechanisch verzerrt werden. Mittels Molekulardynamik wurde untersucht, welche Verzerrungen sich ausbilden und wie sich der Drahtdurchmesser reduziert. Dabei werden Oberflächen- und Quanteneffekte für den Ladungstransport zunehmend wichtig. Mit DFT wurde der Unterschied zwischen Transport im Drahtinneren und nahe der Oberfläche aufgezeigt. Ein wesentlicher Quanteneffekt ist die Erhöhung der Bandlücke bei kleiner werdendem Durchmesser.