The development of planar high-K/III-V p-channel MOSFETs for post-silicon CMOS

Conventional Si complementary-metal-oxide-semiconductor (CMOS) scaling is fast approaching its limits. The extension of the logic device roadmap for future enhancements in transistor performance requires non-Si materials and new device architectures. III-V materials, due to their superior electron transport properties, are well poised to replace Si as the channel material beyond the 10nm technology node to mitigate the performance loss of Si transistors from further reductions in supply voltage to minimise power dissipation in logic circuits. However several key challenges, including a high quality dielectric/III-V gate stack, a low-resistance source/drain (S/D) technology, heterointegration onto a Si platform and a viable III-V p-metal-oxide-semiconductor field-effect-transistor (MOSFET), need to be addressed before III-Vs can be employed in CMOS. This Thesis specifically addressed the development and demonstration of planar III-V p-MOSFETs, to complement the n-MOSFET, thereby enabling an all III-V CMOS technology to be realised. This work explored the application of InGaAs and InGaSb material systems as the channel, in conjunction with Al2O3/metal gate stacks, for p-MOSFET development based on the buried-channel flatband device architecture. The body of work undertaken comprised material development, process module development and integration into a robust fabrication flow for the demonstration of p-channel devices. The parameter space in the design of the device layer structure, based around the III-V channel/barrier material options of In_x≥0.53Ga_1-xAs/In_0.52Al_0.48As and In_x≥0.1Ga_1-xSb/AlSb, was systematically examined to improve hole channel transport. A mobility of 433 cm²/Vs, the highest room temperature hole mobility of any InGaAs quantum-well channel reported to date, was obtained for the In_0.85Ga_0.15As (2.1% strain) structure. S/D ohmic contacts were developed based on thermally annealed Au/Zn/Au metallisation and validated using transmission line model test structures. The effects of metallisation thickness, diffusion barriers and de-oxidation conditions were examined. Contacts to InGaSb-channel structures were found to be sensitive to de-oxidation conditions. A fabrication process, based on a lithographically-aligned double ohmic patterning approach, was realised for deep submicron gate-to-source/drain gap (L_side) scaling to minimise the access resistance, thereby mitigating the effects of parasitic S/D series resistance on transistor performance. The developed process yielded gaps as small as 20nm. For high-k integration on GaSb, ex-situ ammonium sulphide ((NH₄)₂S) treatments, in the range 1%-22%, for 10min at 295K were systematically explored for improving the electrical properties of the Al₂O₃/GaSb interface. Electrical and physical characterisation indicated the 1% treatment to be most effective with interface trap densities in the range of 4 - 10×10¹²cm^-2eV^-1 in the lower half of the bandgap. An extended study, comprising additional immersion times at each sulphide concentration, was further undertaken to determine the surface roughness and the etching nature of the treatments on GaSb. A number of p-MOSFETs based on III-V-channels with the most promising hole transport and integration of the developed process modules were successfully demonstrated in this work. Although the non-inverted InGaAs-channel devices showed good current modulation and switch-off characteristics, several aspects of performance were non-ideal; depletion-mode operation, modest drive current (I_d,sat=1.14mA/mm), double peaked transconductance (g_m=1.06mS/mm), high subthreshold swing (SS=301mV/dec) and high on-resistance (R_on=845kΩ.μm). Despite demonstrating substantial improvement in the on-state metrics of I_d,sat (11×), g_m (5.5×) and R_on (5.6×), inverted devices did not switch-off. Scaling gate-to-source/drain gap (L_side) from 1μm down to 70nm improved I_d,sat (72.4mA/mm) by a factor of 3.6 and gm (25.8mS/mm) by a factor of 4.1 in inverted InGaAs-channel devices. Well-controlled current modulation and good saturation behaviour was observed for InGaSb-channel devices. In the on-state In_0.3Ga_0.7Sb-channel (I_d,sat=49.4mA/mm, g_m=12.3mS/mm, R_on=31.7kΩ.μm) and In_0.4Ga_0.6Sb-channel (I_d,sat=38mA/mm, g_m=11.9mS/mm, R_on=73.5kΩ.μm) devices outperformed the InGaAs-channel devices. However the devices could not be switched off. These findings indicate that III-V p-MOSFETs based on InGaSb as opposed to InGaAs channels are more suited as the p-channel option for post-Si CMOS.

Post-CMOS compatible high-throughput fabrication of AIN-based piezoelectric microcantilevers

A post-complementary metal oxide semiconductor (CMOS) compatible microfabrication process of piezoelectric cantilevers has been developed. The fabrication process is suitable for standard silicon technology and provides low-cost and high-throughput manufacturing. This work reports design, fabrication and characterization of piezoelectric cantilevers based on aluminum nitride (AlN) thin films synthesized at room temperature. The proposed microcantilever system is a sandwich structure composed of chromium (Cr) electrodes and a sputtered AlN film. The key issue for cantilever fabrication is the growth at room temperature of the AlN layer by reactive sputtering, making possible the innovative compatibility of piezoelectric MEMS devices with CMOS circuits already processed. AlN and Cr have been etched by inductively coupled plasma (ICP) dry etching using a BCl3–Cl2–Ar plasma chemistry. As part of the novelty of the post-CMOS micromachining process presented here, a silicon Si (1 0 0) wafer has been used as substrate as well as the sacrificial layer used to release the microcantilevers. In order to achieve this, the Si surface underneath the structure has been wet etched using an HNA (hydrofluoric acid + nitric acid + acetic acid) based solution. X-ray diffraction (XRD) characterization indicated the high crystalline quality of the AlN film. An atomic force microscope (AFM) has been used to determine the Cr electrode surface roughness. The morphology of the fabricated devices has been studied by scanning electron microscope (SEM). The cantilevers have been piezoelectrically actuated and their out-of-plane vibration modes were detected by vibrometry.

Mixed Signal CMOS ASIC mit integrierten frei verschaltbaren Photodioden und Signalvorverarbeitung zur adaptierbaren Ortsfrequenzfilterung

Die vorliegende Arbeit untersucht die Integrierbarkeit von Photodioden und zugehörigen Signalvorverarbeitungen mit dem preisgünstigen Standard-0,5-µm-Prozess bzw. 0,35-µm-CMOS-Prozess. Als Pilotanwendung wurde die Realisierung eines flexiblen Ortfrequenzfilters vorgesehen, der durch die Verschaltung und die Wichtung von integrierten Photodioden gebildet wird. Mit einem integrierten optoelektronischen Bauteil (Opto-ASIC) sollte die Funktionaliät eines CORREVIT®-Sensors (der Firma Corrsys 3D Sensors) aus Prismengitter, Feldlinse, Photodioden und Vorverstärker nachgebildet und seine Funktionalität erweitert werden. Dazu sollte dieser Opto-ASIC eine Photodiodenzeile enthalten, die im Unterschied zu dem bestehenden CORREVIT®-Sensor durch die programmierbare Verschaltung und die Wichtung der Signale der Photodioden unterschiedliche Ortsfrequenz-Bandpassfilter erzeugen sollte, um unterschiedliche Gitterkonstanten (Ortsfrequenzen) zur optimalen Anpassung des Sensors an die jeweilige Oberfläche realisieren zu können. Neue Ortsfrequenzfilter können mehrere Fehlereinflüsse handelsüblicher Sensoren größtenteils vermeiden. Dazu sollten die Filter symmetrisch sein und die Summen ihrer Wichtungen sollten zu Null werden. Die Photodioden als Elementarbauteile der Ortsfilter werden genau untersucht und optimiert, da die Eigenschaften der Photodioden die Qualität der Messsignale stark beeinflussen. Mit einem neuen entwickelten Messverfahren lässt sich die lokale Empfindlichekeit auf dem ASIC mit einer Auflösung ab 0,5 µm messen. Durch diese Messungen konnte die optimale Geometrie festgelegt werden. Es konnte gezeigt werden, dass die Empfindlichkeit der Photodioden in den Randbereichen (lateraler Bereich) erheblich höher ist als im Tiefenbereich (vertikaler Bereich). Es wurde deshalb vorgeschlagen, die Photodioden, die dann abhängig von der Struktur als Fingerdiode oder geschlitzte Diode bezeichnet wurden, in viele Teilflächen zu unterteilen. Zur Realisierung des Ortsfrequenzfilters wurde ein Schaltungssystem zur Signalverarbeitung und Verschaltung der Photodioden entwickelt. Dieser Schaltkreis setzt sich aus Transimpedanzverstärker, Diffenzverstärker, Schalter und einem Schieberegister zusammen.

Dall'uomo esposto al soggetto esposto: il concetto di interfaccia in alcuni filoni di riflessione sulla tecnica dal Settecento a Marcel Mauss

La nozione di ambiente non è una nozione recente. Al giorno d’oggi il riferimento all’ambiente compare in maniera sempre più diffusa nei dibattiti, nelle opere scientifiche e artistiche, negli spazi di divulgazione e sempre più entra all’interno degli spazi affettivi individuali e all’interno delle teorie e delle prassi politiche individuali e collettive. L’ambiente tanto entra nel campo assiologico, quanto vi entra come elemento fragile, indissociabile dall’azione antropica individuale e collettiva, attraverso ciò che noi riassumiamo con la nozione di crisi ambientale. La crisi ambientale permette di riaprire degli ambiti di valore e di interesse nel presente, allo stesso tempo provoca una reinterpretazione e un riorientamento delle teorie e delle prassi del passato. Dal nostro presente di crisi ambientale, è possibile rintracciare delle figure che, nel passato, hanno rappresentato l’inerenza degli enti con il loro ambiente e, tra questi, dell’uomo con il suo ambiente di vita. Sono due le principali figure attraverso le quali si intende riprendere un rapporto con il nostro passato letto attraverso la crisi ambientale: la figura dell’interfaccia come ciò che demarca un rapporto di inerenza e di separazione tra un interno e un esterno che hanno un rapporto tra loro necessario e tuttavia contingente, e la figura della relazione di “esposizione”, tramite la quale si vuole pensare a forme di soggettività vulnerabili, esposte alle relazioni e ai concatenamenti nei quali sono inserite e che tuttavia non possono che esporre a loro volta le altre soggettività e l’ambiente di vita comune a continue modificazioni. Tramite i concetti di interfaccia e di esposizione abbiamo potuto seguire il prodursi di forme di sapere relative all’inerenza tra forme e modi dell’interiorità rispetto all’ambiente che si sono prodotte nella storia e che sono emerse tramite la provocazione di un passato indotto dalla trasformazione che è il nostro presente di crisi ambientale.

Diagnostica integrata nei gliomi di basso grado di età pediatrica: astrocitoma pilocitico e via delle MAP-Kinasi

Secondo la classificazione OMS dei Tumori del Sistema Nervoso Centrale pubblicata nel 2021, l'astrocitoma pilocitico appartiene alle lesioni di grado 1. Questa neoplasia ha un tasso di sopravvivenza a 5 anni di oltre il 95% nei bambini e nei giovani adulti, che è uno dei più alti tassi di sopravvivenza di qualsiasi tumore cerebrale. Tuttavia sono disponibili pochi dati sul tasso di recidiva della neoplasia nell'arco di 10 anni, nonché sulla progressione a forme anaplastiche. Scopo di questo lavoro è la revisione di un'ampia casistica di pazienti pediatrici affetti da astrocitoma pilocitico con un lungo periodo di follow-up, correlando ai dati clinici le alterazioni molecolari del pathway delle MAP-Kinasi (descritte come le più frequenti in questa entità).

Fondamento e limiti costituzionali del potere punitivo nel sistema di legalità integrata

La ricerca affronta la questione della punizione nella prospettiva del diritto costituzionale nazionale integrata con quella del diritto europeo dei diritti dell’uomo. Nella Parte I è sostenuta la tesi secondo cui la trasformazione della Costituzione penale avviata sotto l’influsso della giurisprudenza CEDU rappresenta complessivamente un avanzamento nel processo di costituzionalizzazione del potere punitivo. Questa conclusione è supportata attraverso un confronto della filosofia costituzionale classica sulla punizione con i diversi approcci interpretativi alla Costituzione penale sviluppati durante il XX secolo (approcci tradizionale, costituzionalistico ed EDU). Nella Parte II è invece sostenuta la tesi secondo cui, nonostante gli effetti positivi dell’armonizzazione sovranazionale, lo statuto costituzionale della punizione dovrebbe comunque rimanere formalmente autonomo dal diritto EDU. Non solo, infatti, nessun paradigma dei rapporti interordinamentali finora sviluppato può giustificarne un’integrazione totale, ma essa rischierebbe anche di diminuire la normatività dell’aspetto sociale della Costituzione penale, già ipocostituzionalizzato rispetto a quello liberale. Nella Conclusione sono quindi sviluppati gli elementi fondamentali di un approccio interpretativo alternativo alla Costituzione penale che risponda meglio di quelli esistenti alle esigenze sia di garantire la massima costituzionalizzazione della punizione sia di facilitare l’integrazione sovranazionale. In base a un simile approccio costituzionalmente fondato, sostanzialista, rights-based e inclusivo di tutte le ideologie costituenti, la Costituzione potrebbe essere letta nel senso di prevedere un modello di disciplina unitario per tutte le forme di esercizio del potere punitivo (salvo quello disciplinare, distinguibile sotto l’aspetto istituzionale) caratterizzato da: una riserva di legge a intensità variabile; uno scrutinio stretto della Corte sulla giustificabilità costituzionale della pena; l’estensione dell’ambito di applicazione dei principi di colpevolezza e rieducazione; un pieno sviluppo degli aspetti di garanzia collettiva dei classici principi costituzionalpenalistici (obblighi di tutela penale e garanzia dell’effettiva collocazione della pena in capo al soggetto colpevole), nonché derivabili dall’art. 3 Cost. (proporzionalità della pena alle condizioni materiali del soggetto punito).

Studio del ciclo geochimico del Mercurio all'interfaccia aria-neve nel plateau Antartico

Lo studio si basa sull’analisi di campioni di neve superficiale (0-3 cm) e sub-superficiale (3-6 cm) raccolti nei pressi della “clean area” di Concordia Station, nel plateau Antartico, e di campioni di deposizione raccolti a seguito di eventi di precipitazione nello stesso sito. Il sito di campionamento “clean area” è designato allo studio dei valori di fondo nel plateau antartico, poiché ritenuto privo di contaminazione antropica. L’obiettivo è la quantificazione delle concentrazioni in ultra-tracce di mercurio per lo studio di eventuali patterns relativi al ciclo geochimico dell’elemento nei periodi interessati da radiazione solare. Inoltre, per studiare i processi che controllano il ciclo del mercurio nel plateau Antartico sono stati considerati sia i parametri meteorologici che le variazioni di elementi chimici usati per tracciare le possibili sorgenti emissive ed i meccanismi di scambio che avvengono per il mercurio all’interfaccia aria-neve. Le analisi sono state svolte con ICP-SFMS, una tecnica di spettrometria in grado di rilevare concentrazioni nell’ordine del ppt. A causa dei limiti di rilevazione molto bassi, tutte le provette usate per le analisi e la conservazione dei campioni sono state trattate al fine di minimizzare la contaminazione. I campioni destinati alle analisi di mercurio sono stati trattati con acido, seguendo la procedura per la stabilizzazione di metalli volatili. Il lavoro svolto non ha identificato particolari processi di trasporto e di scambio mentre invece riporta episodi di contaminazione della “clean area” dovuti in parte alla non usuale provenienza del vento ed in parte al crescente impatto antropico dovuto alle attività delle stazioni di ricerca. Lo studio ha messo in luce le problematiche legate al possibile impatto della base di ricerca Concordia Station sui processi naturali evidenziando la necessità di ulteriori studi e approfondimenti sul tema della contaminazione della designata “area pulita” per il campionamento di neve.

Analisi e ottimizzazione di un convertitore DC-DC impiegato come circuito di interfaccia per un carico rigenerativo

Questa tesi è stata svolta in collaborazione con un’azienda di Cesena che si occupa della progettazione e costruzione di caricabatterie e saldatrici e si pone come scopo di analizzare quello che viene chiamato carico "rigenerativo" un dispositivo che permette di testare e collaudare questo tipo di macchine consumando la minor energia elettrica possibile. In particolare si discuterà come avviene il funzionamento del circuito di interfaccia e la sua resa energetica attraverso alcune simulazioni con vari tipi di carichi. Verrà anche presa in esame una prova con il circuito realizzato e confrontata con quella analoga svolta al simulatore.

Analisi integrata di dati SAR e mareografici per lo studio dell’evoluzione di grandi masse di ghiaccio nell’ambito dei cambiamenti climatici: il caso del ghiacciaio Harald Moltke (Groenlandia).

Il progetto di tesi, inserito nel contesto degli studi sugli effetti dei cambiamenti climatici, si basa sull’utilizzo di dati radar derivanti dalla piattaforma satellitare Sentinel-1 (missione spaziale dell’Agenzia Spaziale Europea, inserita all’interno del progetto Copernicus) e mareografici, e ha l’obiettivo di verificare (e quindi validare) l’affidabilità dei dati Sentinel-1 per il monitoraggio della velocità e delle dinamiche di scioglimento del ghiacciaio Harald Moltke (Groenlandia) e la relazione con i fenomeni di distaccamento del suo fronte (eventi di “ice-calving”). Il monitoraggio del ghiacciaio e lo studio di questi ultimi eventi sono tra le tematiche legate al cambiamento climatico toccate dal progetto MACMAP (“A Multidisciplinary Analysis of Climate change indicators in the Mediterranean And Polar regions”, PI. A. Guarnieri, INGV) finanziate dell’istituto Nazionale di Geofisica e Vulcanologia. Per ottenere i campi di velocità del ghiacciaio sono stati utilizzati due dataset di immagini satellitari SAR (Sentinel-1) e, questi, elaborati con tecnica Offset tracking: il primo elaborato dal programma PROMICE e il secondo processato appositamente per questo lavoro con il tool SNAP (SentiNel Applications Platform, tool opensource creato dall’Agenzia Spaziale Europea, ESA). Per relazionare i fenomeni di calving con l’andamento della velocità del ghiacciaio sono stati integrati dati mareografici forniti dall’istituto INGV.

Cryogenic operation of FinFETs aiming at analog applications

FinFETs are recognized as promising candidates for the CMOS nanometer era. In this paper the most recent results for cryogenic operation of FinFETs will be demonstrated with special emphasis on analog applications. Threshold voltage, subthreshold slope and carrier mobility will be studied. Also some important figures of merit for analog circuit operation as for readout electronics, such as transconductance, output conductance and intrinsic voltage gain will be covered. It is demonstrated that the threshold voltage of undoped narrow FinFETs is less temperature-dependent than for a planar single-gate device with similar doping concentration. The temperature reduction improves the transconductance over drain current ratio in any operational region. On the other hand, the output conductance is degraded when the temperature is reduced. The combination of these effects shows that the intrinsic gain of a L = 90 nm FinFET is degraded by 2 dB when the temperature reduces from 300 K to 100 K. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Influence of the sidewall crystal orientation, HfSiO nitridation and TiN metal gate thickness on n-MuGFETs under analog operation

This work characterizes the analog performance of SOI n-MuGFETs with HfSiO gate dielectric and TiN metal gate with respect to the influence of the high-k post-nitridation. TiN thickness and device rotation. A thinner TiN metal gate is found favorable for improved analog characteristics showing an increase in intrinsic voltage gain. The devices where the high-k material is subjected to a nitridation step indicated a degradation of the Early voltage (V(EA)) values which resulted in a lower voltage gain. The 45 degrees rotated devices have a smaller V(EA) than the standard ones when a HfSiO dielectric is used. However, the higher transconductance of these devices, due to the increased mobility in the (1 0 0) sidewall orientation, compensates this V(EA) degradation of the voltage gain, keeping it nearly equal to the voltage gain values of the standard devices. (C) 2011 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Threshold voltages of SOI MuGFETs

The multiple-gate field-effect transistor (MuGFET) is a device with a gate folded on different sides of the channel region. They are one of the most promising technological solutions to create high-performance ultra-scaled SOI CMOS. In this work, the behavior of the threshold voltage in double-gate, triple-gate and quadruple-gate SOI transistors with different channel doping concentrations is studied through three-dimensional numerical simulation. The results indicated that for double-gate transistors, one or two threshold voltages can be observed, depending on the channel doping concentration. However, in triple-gate and quadruple-gate it is possible to observe up to four threshold voltages due to the corner effect and the different doping concentration between the top and bottom of the Fin. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Improved generation lifetime model for the electrical characterization of single- and double-gate SOI nMOSFETs

This work proposes a refined technique for the extraction of the generation lifetime in single- and double-gate partially depleted SOI nMOSFETs. The model presented in this paper, based on the drain current switch-off transients, takes into account the influence of the laterally non-uniform channel doping, caused by the presence of the halo implanted region, and the amount of charge controlled by the drain and source junctions on the floating body effect when the channel length is reduced. The obtained results for single- gate (SG) devices are compared with two-dimensional numerical simulations and experimental data, extracted for devices fabricated in a 0.1 mu m SOI CMOS technology, showing excellent agreement. The improved model to determine the generation lifetime in double-gate (DG) devices beyond the considerations previously presented also consider the influence of the silicon layer thickness on the drain current transient. The extracted data through the improved model for DG devices were compared with measurements and two-dimensional numerical simulations of the SG devices also presenting a good adjustment with the channel length reduction and the same tendency with the silicon layer thickness variation.

Analysis of source-follower buffers implemented with graded-channel SOI nMOSFETs operating at cryogenic temperatures

This work studies the operation of source-follower buffers implemented with standard and graded-channel (GC) fully depleted (FD) SCI nMOSFETs at low temperatures. The analysis is performed by comparing the voltage gain of buffers implemented with GC and standard SOI nMOS transistors considering devices with the same mask channel length and same effective channel length. It is shown that the use of GC devices allows for achieving improved gain in all inversion levels in a wide range of temperatures. In addition, this improvement increases as temperature is reduced. It is shown that GC transistors can provide virtually constant gain, while for standard devices, the gain departs from the maximum value depending on the temperature and inversion level imposed by the bias current and input voltage. Two-dimensional numerical simulations were performed in order to study the reasons for the enhanced gain of GC MOSFETs at low temperatures. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Image quality assessment and medical physics evaluation of different portable dental X-ray units

Introduction: Recently developed portable dental X-ray units increase the mobility of the forensic odontologists and allow more efficient X-ray work in a disaster field, especially when used in combination with digital sensors. This type of machines might also have potential for application in remote areas, military and humanitarian missions, dental care of patients with mobility limitation, as well as imaging in operating rooms. Objective: To evaluate radiographic image quality acquired by three portable X-ray devices in combination with four image receptors and to evaluate their medical physics parameters. Materials and methods: Images of five samples consisting of four teeth and one formalin-fixed mandible were acquired by one conventional wall-mounted X-ray unit, MinRay (R) 60/70 kVp, used as a clinical standard, and three portable dental X-ray devices: AnyRay (R) 60 kVp, Nomad (R) 60 kVp and Rextar (R) 70 kVp, in combination with a phosphor image plate (PSP), a CCD, or a CMOS sensor. Three observers evaluated images for standard image quality besides forensic diagnostic quality on a 4-point rating scale. Furthermore, all machines underwent tests for occupational as well as patient dosimetry. Results: Statistical analysis showed good quality imaging for all system, with the combination of Nomad (R) and PSP yielding the best score. A significant difference in image quality between the combination of the four X-ray devices and four sensors was established (p < 0.05). For patient safety, the exposure rate was determined and exit dose rates for MinRay (R) at 60 kVp, MinRay (R) at 70 kVp, AnyRay (R), Nomad (R) and Rextar (R) were 3.4 mGy/s, 4.5 mGy/s, 13.5 mGy/s, 3.8 mGy/s and 2.6 mGy/s respectively. The kVp of the AnyRay (R) system was the most stable, with a ripple of 3.7%. Short-term variations in the tube output of all the devices were less than 10%. AnyRay (R) presented higher estimated effective dose than other machines. Occupational dosimetry showed doses at the operator`s hand being lowest with protective shielding (Nomad (R): 0.1 mu Gy). It was also low while using remote control (distance > 1 m: Rextar (R) < 0.2 mu Gy, MinRay (R) < 0.1 mu Gy). Conclusions: The present study demonstrated the feasibility of three portable X-ray systems to be used for specific indications, based on acceptable image quality and sufficient accuracy of the machines and following the standard guidelines for radiation hygiene. (C) 2010 Elsevier Ireland Ltd. All rights reserved.