Aktuelle Projekte

Im Vergleich zu konventionellen Feldeffekttransistoren (FETs) ist es mit Hilfe von Tunnel-FETs (TFETs) prinzipiell möglich, Transistoren mit kleineren inversen Sub-Threshold-Slopes als 60 mV/Dekade bei Raumtemperatur herzustellen. Dadurch ergibt sich das Potential besonders niedriger Verlustleistungsaufnahmen. Idealerweise basiert der Ladungstransport in TFETs ausschließlich auf Band-zu-Band-Tunneln und der Energiefilterung im Boltzmann-Regime. Durch Anlegen geeigneter Spannung an nah beieinander liegenden vergrabenen Gate-Elektroden ist es möglich, variable Bandverläufe längs eines Halbleiterkanals elektrostatisch zu kontrollieren. Durch die Bandverläufe wird die Tunnelwahrscheinlichkeit beeinflusst. Allerdings ist die Fertigung einer solchen planaren Plattform mit vergrabenen und voneinander isolierten Gate-Kontakten (buried triple-gate, BTG) sehr aufwändig. Im Rahmen dieses Projekts soll ein neues Fertigungskonzept auf der Basis von Graphenlagen untersucht werden. Der große Vorteil des Konzepts ist, dass die Graphenlagen nahezu atomar dünn sind und so die Fertigung vertikaler sehr dünner Graphen/Oxid-Heterostrukturen ermöglichen. Das vorgestellte Konzept hat das Potential, scharfe elektrostatische Dotierprofile zu erzeugen, die ihrerseits zu scharfen Bandübergängen führen. Dies führt zu einer hohen Band-zu-Band-Tunnelwahrscheinlichkeit und damit einem steilen Anstieg des inversen Sub-Threshold-Slopes.

Die heute dominierende Flash-Speicher-Technologie basiert auf Floating-Gate Transistoren. Beim Design des Gate-Dielektrikums von Floating-Gate-Transistoren muss ein Trade-Off zwischen der Fähigkeit eines schnellen Schreibzugriffs und einer langen Zustand-Stabilität (state retention) eingegangen werden. Kürzlich haben wir einen Prototypen eines neuartigen programmierbaren Transistors, den memristively programmable transistor (memTR), vorgestellt. Da der Zustand bei memTRs durch nanoionisch Prozesse und nicht durch das Speichern von Ladung kodiert wird, ergibt sich das Potential, neuartige programmierbare Transistoren mit schnellem Schreibzugriff, langer Zustands-Stabilität und gleichzeitig hoher Programmier-Zyklenfestigkeit entwickeln zu können. Bei einem memTR handelt es sich im Wesentlichen um eine innovative Kombination aus einem Transistor und einem auf dem Gate integrierten resistiven Schalter (oft auch memristiver Schalter oder Memristor genannt). Diese Bauelemente weisen einen schnellen und energiesparenden Schreib- und Lesezugriff auf. Dank ihres analogen und nicht-linearen Verhaltens werden sie darüber hinaus auch vermehrt im Bereich Neuromorphik eingesetzt. Im Rahmen dieses Projekts sollen die ersten Proof-of-Concept Transistoren hinsichtlich ihrer elektrischen Performance (insb. Programmierbarkeit und Programmier-Geschwindigkeit) genauer untersucht und optimiert werden. Hierfür werden vornehmlich BEOL-kompatible Herstellungsprozesse eingesetzt. Die gefertigten Bauelemente werden dabei eingehend elektrisch, spektroskopisch und mikroskopisch hinsichtlich ihrer fundamentalen Funktionalität und einer weiteren Bauteil-Optimierung untersucht. Aufbauend auf diesen Arbeiten werden memTRs für den Einsatz in neuartigen Anwendungen im Bereich der Neuromorphik experimentell untersucht.

Wasserstoff-Gassensoren haben eine hohe technologische Bedeutung im Automotive Bereich. Die Dünnschicht-Technik ermöglicht die kostengünstige Massenproduktion von Sensoren mit etablierten Prozessen, die auch im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik eingesetzt werden. Nachteile von Dünnschicht-Gassensoren insbesondere für Wasserstoff sind Drift- und Degradationseffekte, die einen Einsatz in sicherheitsrelevanten Anwendungen bislang einschränken. In diesem Projekt wird die Entwicklung eines neuartigen Sensortyps auf der Basis memristiver Bauelemente vorgestellt.

Der resistive Zustand eines memristiven Systems lässt sich durch Spannungspulse gezielt zwischen mindestens zwei Werten (hoch- und niederohmig) einstellen. In der Vergangenheit konnte gezeigt werden, dass die dabei zugrundeliegenden Schaltmechanismen auf komplexen Redox-Vorgängen auf der Nanoskala basieren und sich memristive Systeme in starker Wechselwirkung mit der Umwelt befinden. Diese elektrochemischen Wechselwirkungen sollen von "Memristive Sensing Elements" (MSEs) genutzt werden, um neuartige Dünnschicht-Gassensoren zu entwickeln. Diese Bauelemente haben das Potential, dass die Sensorfunktionalität memristiv kalibriert und während des Betriebs im Falle von Drift- und Degradationserscheinungen stets neuprogrammiert werden kann.