Simulations of parasitic and intrinsic capacitances related to Multiple-Gate-Field-Effect Transistor architectures

Report for the scientific sojourn carried out at the Université Catholique de Louvain, Belgium, from March until June 2007. In the first part, the impact of important geometrical parameters such as source and drain thickness, fin spacing, spacer width, etc. on the parasitic fringing capacitance component of multiple-gate field-effect transistors (MuGFET) is deeply analyzed using finite element simulations. Several architectures such as single gate, FinFETs (double gate), triple-gate represented by Pi-gate MOSFETs are simulated and compared in terms of channel and fringing capacitances for the same occupied die area. Simulations highlight the great impact of diminishing the spacing between fins for MuGFETs and the trade-off between the reduction of parasitic source and drain resistances and the increase of fringing capacitances when Selective Epitaxial Growth (SEG) technology is introduced. The impact of these technological solutions on the transistor cut-off frequencies is also discussed. The second part deals with the study of the effect of the volume inversion (VI) on the capacitances of undoped Double-Gate (DG) MOSFETs. For that purpose, we present simulation results for the capacitances of undoped DG MOSFETs using an explicit and analytical compact model. It monstrates that the transition from volume inversion regime to dual gate behaviour is well simulated. The model shows an accurate dependence on the silicon layer thickness,consistent withtwo dimensional numerical simulations, for both thin and thick silicon films. Whereas the current drive and transconductance are enhanced in volume inversion regime, our results show thatintrinsic capacitances present higher values as well, which may limit the high speed (delay time) behaviour of DG MOSFETs under volume inversion regime.

Top-gate microcrystalline silicon TFTs processed at low temperature (<200ºC)

N-type as well P-type top-gate microcrystalline silicon thin film transistors (TFTs) are fabricated on glass substrates at a maximum temperature of 200 °C. The active layer is an undoped μc-Si film, 200 nm thick, deposited by Hot-Wire Chemical Vapor. The drain and source regions are highly phosphorus (N-type TFTs) or boron (P-type TFTs)-doped μc-films deposited by HW-CVD. The gate insulator is a silicon dioxide film deposited by RF sputtering. Al-SiO 2-N type c-Si structures using this insulator present low flat-band voltage,-0.2 V, and low density of states at the interface D it=6.4×10 10 eV -1 cm -2. High field effect mobility, 25 cm 2/V s for electrons and 1.1 cm 2/V s for holes, is obtained. These values are very high, particularly the hole mobility that was never reached previously.

Efficiency and reliability enhancement of silicon nanocrystal field-effect luminescence from nitride-oxide gate stacks

We report on a field-effect light emitting device based on silicon nanocrystals in silicon oxide deposited by plasma-enhanced chemical vapor deposition. The device shows high power efficiency and long lifetime. The power efficiency is enhanced up to 0.1 %25 by the presence of a silicon nitride control layer. The leakage current reduction induced by this nitride buffer effectively increases the power efficiency two orders of magnitude with regard to similarly processed devices with solely oxide. In addition, the nitride cools down the electrons that reach the polycrystalline silicon gate lowering the formation of defects, which significantly reduces the device degradation.

Role of PheE15 gate in ligand entry and nitric oxide detoxification function of Mycobacterium tuberculosis truncated hemoglobin N

The truncated hemoglobin N, HbN, of Mycobacterium tuberculosis is endowed with a potent nitric oxide dioxygenase (NOD) activity that allows it to relieve nitrosative stress and enhance in vivo survival of its host. Despite its small size, the protein matrix of HbN hosts a two-branched tunnel, consisting of orthogonal short and long channels, that connects the heme active site to the protein surface. A novel dual-path mechanism has been suggested to drive migration of O(2) and NO to the distal heme cavity. While oxygen migrates mainly by the short path, a ligand-induced conformational change regulates opening of the long tunnel branch for NO, via a phenylalanine (PheE15) residue that acts as a gate. Site-directed mutagenesis and molecular simulations have been used to examine the gating role played by PheE15 in modulating the NOD function of HbN. Mutants carrying replacement of PheE15 with alanine, isoleucine, tyrosine and tryptophan have similar O(2)/CO association kinetics, but display significant reduction in their NOD function. Molecular simulations substantiated that mutation at the PheE15 gate confers significant changes in the long tunnel, and therefore may affect the migration of ligands. These results support the pivotal role of PheE15 gate in modulating the diffusion of NO via the long tunnel branch in the oxygenated protein, and hence the NOD function of HbN.

Model analític de les característiques DC de transistors de doble porta

En aquest treball s’implementa un model analític de les característiques DC del MOSFET de doble porta (DG-MOSFET), basat en la solució de l’equació de Poisson i en la teoria de deriva-difussió[1]. El MOSFET de doble porta asimètric presenta una gran flexibilitat en el disseny de la tensió llindar i del corrent OFF. El model analític reprodueix les característiques DC del DG-MOSFET de canal llarg i és la base per construir models circuitals tipus SPICE.

Análisis del ciclo de vida de sistemas de tratamiento de aguas residuales: influencia de los materiales utilizados

En este proyecto se tiene como objetivo comparar una EDAR específica con otras tres, desde el punto de vista ambiental, y establecer diferentes alternativas. En particular, se ha evaluado la mejor alternativa en la obtención de energía eléctrica para la propia utilización de la planta de tratamiento de aguas residuales, a partir del biogás generado en el digestor en la línea de lodos. En este tipo de instalaciones, entre las alternativas tanto en su uso actual como en fase de desarrollo, el motor de cogeneración de electricidad y el calor es el más utilizado para obtener simultáneamente la electricidad necesaria para las instalaciones y el calor necesario para mantener el digestor de lodos a la temperatura de trabajo (36ºC aproximadamente). Las otras alternativas evaluadas en este estudio son las pilas de biogás de membrana electrolítica polimérica (en inglés Polymeric Electrolyte Membrane, PEM) y las pilas de óxidos sólidos (en inglés Solid Oxide Fuel Cells, SOFC) con una turbina de gas (sistema híbrido SOFC-GT). Por otro lado, se estudian las características de los materiales que componen los dispositivos MEC (microbial electrolysis cell) y las pilas PEM y SOFC, así como las ventajas e inconvenientes de usar estas nuevas tecnologías en el tratamiento de aguas residuales, así como la evaluación del impacto ambiental de la EDAR objeto de estudio, que se ha llevado a cabo utilizando el análisis de ciclo de vida (ACV). El ACV es una herramienta que permite comparar diferentes procesos o productos que tengan la misma función, y así evaluar la alternativa que conlleve una mejora en el medio ambiental. La metodología de ACV pretende evaluar en detalle el ciclo de vida completo de un producto o proceso. Un ACV se suele definir de tipo "cradle to grave" o "desde la cuna hasta la tumba" o bien de tipo "gate to gate", o "de puerta a puerta". En el primer caso el estudio analiza el ciclo de vida completo del sistema, dese el origen hasta el final, mientras que en el segundo caso el ACV no tiene en cuenta su disposición final (vertedero, reciclaje, etc.). Un estudio de ACV del primer tipo conlleva hacer un estudio muy detallado, que en la práctica puede resultar muy largo y laborioso por la dificultad de encontrar todos los datos necesarios. Por ello, muchos estudios de ACV que se encuentran en la literatura suelen ser del tipo "gate to gate". Además, hay que esablecer las fronteras del sistema a estudiar, ya que hay procesos que tienen muy poca contribución a las categorías de impacto ambiental. En una EDAR los principales procesos considerados en el ACV llevado a cabo son el consumo de productos químicos, de electricidad, la producción de lodos y su utilización como composta, el biogás y su utilización para producir electricidad, los residuos sólidos y las distintas emisiones al medio producidas por el propio funcionamiento de la EDAR. Las operaciones relacionadas indirectamente como el transporte de los lodos, de productos químicos, de los residuos sólidos y la infraestructura con una vida media de 30 años no influyen significativamente en los resultados, por ejemplo el transporte de los lodos con un camión a 30km contribuyen en menos de 1% en todas las categorías de impacto. De acuerdo con las normativas ISO series 14040 que regulan las pautas de un ACV, se establece una unidad funcional apropiada, o sea habitante equivalente, ya que es la más apropiada por tener en cuenta la carga contaminante en el agua a tratar, parámetro imprescindible para comparar EDARs. Redefiniendo las fronteras, se realiza un ACV del depósito del biogás sin tener en cuenta el resto de la instalación y se toma como unidad funcional m3 de biogás, en el caso concreto de obtener biogás mediante un dispositivo MEC, que maximiza la cantidad de hidrógeno en detrimento de la cantidad de metano contenido en el biogás, observándose que la contribución de un biogás con un alto contenido en hidrógeno y, por tanto bajo en metano, produce una mejora ambiental. Las categorías de impacto ambiental que tienen contribución son el calentamiento global y la oxidación fotoquímica; el dispositivo MEC hace quela contribución a estas categorías de impacto sea de un orden de magnitud inferior con respecto al biogás generado en un digestor. Además, si se produce la combustión del biogás, la única categoría de impacto que tiene contribución es la de calentamiento global; para una dispositivo MEC la contribución sigue siendo un orden de magnitud inferior con respecto al biogás de un digestor de lodos.

Diseño y desarrollo de un equipo de caracterización de ISFET para la medida de analitos iónicos

En este proyecto se desarrolla una unidad de medida para investigar la cuantificación de la concentración de analitos iónicos en análisis clínico mediante sensores ISFET. Para su desarrollo se precisa de un elemento que simule el comportamiento de un ISFET por lo que también se desarrolla un simulador de ISFET. Para realizar la unidad de medida se diseñan unos circuitos SMU que permiten polarizar en tensión y medir la corriente de cada terminal de un ISFET y del electrodo de referencia que actúa de puerta. El simulador se realiza con un MOSFET de la misma geometría que el ISFET y dos generadores de tensión programables. Desarrollados y validados los circuitos correspondientes, obtenemos unos excelentes resultados en el simulador que se revela de gran utilidad para la puesta en marcha de la unidad de medida, la cual ofrece unos resultados bastante buenos, si bien se aprecian ciertas corrientes de fuga que no permiten alcanzar toda la exactitud que se pretendía. Ello es debido a los circuitos impresos que deberán ser mejorados hasta conseguir la exactitud deseada. Sin embargo pueden darse por válidos los circuitos de medida diseñados.

Disseny i implementació d'un conjunt de perifèrics de comunicació per a la seva incorporació en nous dissenys hardware del grup de robòtica i visió per computador

El grupo de robòtica i Visió fabricó la tarjeta gráfica MAGCL para el tratamiento de imágenes en tiempo real, en la que se incluyó un conector IDC20 proveniente de parte del bus de datos, de la FPGA que contiene, destinado a futuras aplicaciones. Con este proyecto se quiere aprovechar este conector para la comunicación de la placa con un PC, y se desarrollarán los puertos de comunicación serie RS232 y USB, Universal Serial Bus.El objetivo de este proyecto es establecer la comunicación de la tarjeta gráfica con un PC a través de estos dos tipos de puerto. Una vez conseguida la comunicación, quedan una serie de librerías hardware que pueden ayudar en la realización de futuros proyectos. La placa posee una FPGA (field programable gate array) destinada al desarrollo, pero programando esas librerías sobre otros componentes, se pueden utilizar estos puertos de forma permanente o exclusiva

Conduction mechanisms and charge storage in Si-nanocrystals metal-oxide-semiconductor memory devices studied with conducting atomic force microscopy

In this work, we demonstrate that conductive atomic force microscopy (C-AFM) is a very powerful tool to investigate, at the nanoscale, metal-oxide-semiconductor structures with silicon nanocrystals (Si-nc) embedded in the gate oxide as memory devices. The high lateral resolution of this technique allows us to study extremely small areas ( ~ 300nm2) and, therefore, the electrical properties of a reduced number of Si-nc. C-AFM experiments have demonstrated that Si-nc enhance the gate oxide electrical conduction due to trap-assisted tunneling. On the other hand, Si-nc can act as trapping centers. The amount of charge stored in Si-nc has been estimated through the change induced in the barrier height measured from the I-V characteristics. The results show that only ~ 20% of the Si-nc are charged, demonstrating that the electrical behavior at the nanoscale is consistent with the macroscopic characterization.

Hydrogen-induced changes in the breakdown voltage of InP HEMTs

In this work, electrical measurements show that the breakdown voltage,BVDG, of InP HEMTs increases following exposure to H2. This BVDG shift is nonrecoverable. The increase in BVDG is found to be due to a decrease in the carrier concentration in the extrinsic portion of the device.We provide evidence that H2 reacts with the exposed InAlAs surface in the extrinsic region next to the gate, changing the underlying carrier concentration. Hall measurements of capped and uncapped HEMT samples show that the decrease in sheet carrier concentration can be attributed to a modification of the exposed InAlAs surface. Consistent with this, XPS experiments on uncapped heterostructures give evidence of As loss from the InAlAs surface upon exposure to hydrogen.

Direct modulation of electroluminescence from silicon nanocrystals beyond radiative recombination rates

We propose a light emitting transistor based on silicon nanocrystals provided with 200 Mbits/ s built-in modulation. Suppression of electroluminescence from silicon nanocrystals embedded into the gate oxide of a field effect transistor is achieved by fast Auger quenching. In this process, a modulating drain signal causes heating of carriers in the channel and facilitates the charge injection into the nanocrystals. This excess of charge enables fast nonradiative processes that are used to obtain 100% modulation depths at modulating voltages of 1 V.

Systematic trends in self-consistent calculations of linear quantum wires

Systematic trends in the properties of a linear split-gate heterojunction are studied by solving iteratively the Poisson and Schrödinger equations for different gate potentials and temperatures. A two-dimensional approximation is presented that is much simpler in the numerical implementation and that accurately reproduces all significant trends. In deriving this approximation, we provide a rigorous and quantitative basis for the formulation of models that assumes a two-dimensional character for the electron gas at the junction.

Dynamical properties of discrete breathers in curved chains with first and second neighbor interaction

We present the study of discrete breather dynamics in curved polymerlike chains consisting of masses connected via nonlinear springs. The polymer chains are one dimensional but not rectilinear and their motion takes place on a plane. After constructing breathers following numerically accurate procedures, we launch them in the chains and investigate properties of their propagation dynamics. We find that breather motion is strongly affected by the presence of curved regions of polymers, while the breathers themselves show a very strong resilience and remarkable stability in the presence of geometrical changes. For chains with strong angular rigidity we find that breathers either pass through bent regions or get reflected while retaining their frequency. Their motion is practically lossless and seems to be determined through local energy conservation. For less rigid chains modeled via second neighbor interactions, we find similarly that chain geometry typically does not destroy the localized breather states but, contrary to the angularly rigid chains, it induces some small but constant energy loss. Furthermore, we find that a curved segment acts as an active gate reflecting or refracting the incident breather and transforming its velocity to a value that depends on the discrete breathers frequency. We analyze the physical reasoning behind these seemingly general breather properties.

Low temperature amorphous and nanocrystalline silicon thin film transistors deposited by Hot-Wire CVD on glass substrate

Amorphous and nanocrystalline silicon films obtained by Hot-Wire Chemical Vapor Deposition have been incorporated as active layers in n-type coplanar top gate thin film transistors deposited on glass substrates covered with SiO 2. Amorphous silicon devices exhibited mobility values of 1.3 cm 2 V - 1 s - 1, which are very high taking into account the amorphous nature of the material. Nanocrystalline transistors presented mobility values as high as 11.5 cm 2 V - 1 s - 1 and resulted in low threshold voltage shift (∼ 0.5 V).

Molecular prototypes for spin-based CNOT and SWAP quantum gates

We show that a chemically engineered structural asymmetry in [Tb2] molecular clusters renders the two weakly coupled Tb3+ spin qubits magnetically inequivalent. The magnetic energy level spectrum of these molecules meets then all conditions needed to realize a universal CNOT quantum gate. A proposal to realize a SWAP gate within the same molecule is also discussed. Electronic paramagnetic resonance experiments confirm that CNOT and SWAP transitions are not forbidden.