Novel transparent and flexible transistors for radiation harsh environment

La scoperta dei semiconduttori amorfi ha segnato l’era della microelettronica su larga scala rendendo possibile il loro impiego nelle celle solari o nei display a matrice attiva. Infatti, mentre i semiconduttori a cristalli singoli non sono consoni a questo tipo di applicazioni e i s. policristallini presentano il problema dei bordi di grano, i film amorfi possono essere creati su larga scala (>1 m^2) a basse temperature (ad es. <400 °C) ottenendo performance soddisfacenti sia su substrati rigidi che flessibili. Di recente la ricerca sta compiendo un grande sforzo per estendere l’utilizzo di questa nuova elettronica flessibile e su larga scala ad ambienti soggetti a radiazioni ionizzanti, come lo sono i detector di radiazioni o l’elettronica usata in applicazioni spaziali (satelliti). A questa ricerca volge anche la mia tesi, che si confronta con la fabbricazione e la caratterizzazione di transistor a film sottili basati su ossidi semiconduttori ad alta mobilità e lo studio della loro resistenza ai raggi X. La micro-fabbricazione, ottimizzazione e caratterizzazione dei dispositivi è stata realizzata nei laboratori CENIMAT e CEMOP dell’Università Nova di Lisbona durante quattro mesi di permanenza. Tutti i dispositivi sono stati creati con un canale n di ossido di Indio-Gallio-Zinco (IGZO). Durante questo periodo è stato realizzato un dispositivo dalle ottime performance e con interessanti caratteristiche, una delle quali è la non variazione del comportamento capacitivo in funzione della frequenza e la formidabile resistenza alle radiazioni. Questo dispositivo presenta 114 nm di dielettrico, realizzato con sette strati alternati di SiO2/ Ta2O5. L’attività di ricerca svolta al Dipartimento di Fisica e Astronomia di Bologna riguarda prevalentemente lo studio degli effetti delle radiazioni ionizzanti su TFTs. Gli esperimenti hanno rivelato che i dispositivi godono di una buona stabilità anche se soggetti alle radiazioni. Infatti hanno mostrato performance pressoché inalterate anche dopo un’esposizione a 1 kGy di dose cumulativa di raggi X mantenendo circa costanti parametri fondamentali come la mobilità, il threshold voltage e la sub-threshold slope. Inoltre gli effetti dei raggi X sui dispositivi, così come parametri fondamentali quali la mobilità, si sono rivelati essere notevolmente influenzati dallo spessore del dielettrico.

Fabrication and characterization of room temperature operating single electron transistors using focused ion beam technologies

The single electron transistor (SET) is a Coulomb blockade device, whose operation is based on the controlled manipulation of individual electrons. Single electron transistors show immense potential to be used in future ultra lowpower devices, high density memory and also in high precision electrometry. Most SET devices operate at cryogenic temperatures, because the charging energy is much smaller than the thermal oscillations. The room temperature operation of these devices is possible with sub- 10nm nano-islands due to the inverse dependance of charging energy on the radius of the conducting nano-island. The fabrication of sub-10nm features with existing lithographic techniques is a technological challenge. Here we present the results for the first room temperature operating SET device fabricated using Focused Ion Beam deposition technology. The SET device, incorporates an array of tungsten nano-islands with an average diameter of 8nm. The SET devices shows clear Coulomb blockade for different gate voltages at room temperature. The charging energy of the device was calculated to be 160.0 meV; the capacitance per junction was found to be 0.94 atto F; and the tunnel resistance per junction was calculated to be 1.26 G Ω. The tunnel resistance is five orders of magnitude larger than the quantum of resistance (26 k Ω) and allows for the localization of electrons on the tungsten nano-island. The lower capacitance of the device combined with the high tunnel resistance, allows for the Coulomb blockade effects observed at room temperature. Different device configurations, minimizing the total capacitance of the device have been explored. The effect of the geometry of the nano electrodes on the device characteristics has been presented. Simulated device characteristics, based on the soliton model have been discussed. The first application of SET device as a gas sensor has been demonstrated.

HOMO Stabilisation in π-Extended Dibenzotetrathiafulvalene Derivatives for Their Application in Organic Field-Effect Transistors

Three new organic semiconductors, in which either two methoxy units are directly linked to a dibenzotetrathiafulvalene (DB-TTF) central core and a 2,1,3-chalcogendiazole is fused on the one side, or four methoxy groups are linked to the DB-TTF, have been synthesised as active materials for organic field-effect transistors (OFETs). Their electrochemical behaviour, electronic absorption and fluorescence emission as well as photoinduced intramolecular charge transfer were studied. The electron-withdrawing 2,1,3-chalcogendiazole unit significantly affects the electronic properties of these semiconductors, lowering both the HOMO and LUMO energy levels and hence increasing the stability of the semiconducting material. The solution-processed single-crystal transistors exhibit high performance with a hole mobility up to 0.04 cm2 V−1 s−1 as well as good ambient stability.

Temperature and time dependent threshold voltage characterization of AlGaN/GaN high electron mobility transistors

Relacionado con línea de investigación del GDS del ISOM ver http://www.isom.upm.es/dsemiconductores.php

Processing and adsorption control in ZnO single nanowire photodetectors

ZnO single nanowire photodetectors have been measured in different ambient conditions in order to understand and control adsorption processes on the surface. A decrease in the conductivity has been observed as a function of time when the nanowires are exposed to air, due to adsorbed O2/H2O species at the nanowire surface. In order to have a device with stable characteristics in time, thermal desorption has been used to recover the original conductivity followed by PMMA coating of the exposed nanowire surface.

SiGe/Si nanowire axial heterostructures grown by LPCVD using Ga-Au

The use of Ga-Au alloys of different compositions as metal catalysts for the growth of abrupt SiGe/Si nanowire axial heterostructures has been investigated. The heterostructures grown in a continuous process by just switching the gas precursors, show uniform nanowire diameters, almost abrupt compositional changes and no defects between the different sections. These features represent significant improvements over the results obtained using pure Au.

Electrical, photoelectrical and morphological properties of ZnO nanowire networks grown on SiO2 and on Si

ZnO nanofibre networks (NFNs) were grown by vapour transport method on Si-based substrates. One type of substrate was SiO2 thermally grown on Si and another consisted of a Si wafer onto which Si nanowires (NWs) had been grown having Au nanoparticles catalysts. The ZnO-NFN morphology was observed by scanning electron microscopy on samples grown at 600 °C and 720 °C substrate temperature, while an focused ion beam was used to study the ZnO NFN/Si NWs/Si and ZnO NFN/SiO2 interfaces. Photoluminescence, electrical conductance and photoconductance of ZnO-NFN was studied for the sample grown on SiO2. The photoluminescence spectra show strong peaks due to exciton recombination and lattice defects. The ZnO-NFN presents quasi-persistent photoconductivity effects and ohmic I-V characteristics which become nonlinear and hysteretic as the applied voltage is increased. The electrical conductance as a function of temperature can be described by a modified three dimensional variable hopping model with nanometer-ranged typical hopping distances.

Raman spectroscopy in Group IV nanowires and nanowire axial heterostructures

The control of the SiGe NW composition is fundamental for the fabrication of high quality heterostructures. Raman spectroscopy has been used to analyse the composition of SiGe alloys. We present a study of the Raman spectrum of SiGe nanowires and SiGe/Si heterostructures. The inhomogeneity of the Ge composition deduced from the Raman spectrum is explained by the existence of a Ge-rich outer shell and by the interaction of the NW with the electromagnetic field associated with the laser beam.

Estudo de transistores de tunelamento induzido por efeito de campo (TFET) construídos em nanofio.

Esse trabalho de mestrado teve como estudo o transistor Túnel-FET (TFET) fabricado em estrutura de nanofio de silício. Este estudo foi feito de forma teórica (simulação numérica) e experimental. Foram estudadas as principais características digitais e analógicas do dispositivo e seu potencial para uso em circuitos integrados avançados para a próxima década. A análise foi feita através da extração experimental e estudo dos principais parâmetros do dispositivo, tais como inclinação de sublimiar, transcondutância (gm), condutância de saída (gd), ganho intrínseco de tensão (AV) e eficiência do transistor. As medidas experimentais foram comparadas com os resultados obtidos pela simulação. Através do uso de diferentes parâmetros de ajuste e modelos de simulação, justificou-se o comportamento do dispositivo observado experimentalmente. Durante a execução deste trabalho estudou-se a influência da escolha do material de fonte no desempenho do dispositivo, bem como o impacto do diâmetro do nanofio nos principais parâmetros analógicos do transistor. Os dispositivos compostos por fonte de SiGe apresentaram valores maiores de gm e gd do que aqueles compostos por fonte de silício. A diferença percentual entre os valores de transcondutância para os diferentes materiais de fonte variou de 43% a 96%, sendo dependente do método utilizado para comparação, e a diferença percentual entre os valores de condutância de saída variou de 38% a 91%. Observou-se também uma degradação no valor de AV com a redução do diâmetro do nanofio. O ganho calculado a partir das medidas experimentais para o dispositivo com diâmetro de 50 nm é aproximadamente 45% menor do que o correspondente ao diâmetro de 110 nm. Adicionalmente estudou-se o impacto do diâmetro considerando diferentes polarizações de porta (VG) e concluiu-se que os TFETs apresentam melhor desempenho para baixos valores de VG (houve uma redução de aproximadamente 88% no valor de AV com o aumento da tensão de porta de 1,25 V para 1,9 V). A sobreposição entre porta e fonte e o perfil de dopantes na junção de tunelamento também foram analisados a fim de compreender qual combinação dessas características resultariam em um melhor desempenho do dispositivo. Observou-se que os melhores resultados estavam associados a um alinhamento entre o eletrodo de porta e a junção entre fonte e canal e a um perfil abrupto de dopantes na junção. Por fim comparou-se a tecnologia MOS com o TFET, obtendo-se como resultado um maior valor de AV (maior do que 40 dB) para o TFET.

Caracterização elétrica de túnel-FET em estrutura de nanofio com fontes de SiGe e Ge em função da temperatura.

Este trabalho teve como objetivo estudar os transistores de tunelamento por efeito de campo em estruturas de nanofio (NW-TFET), sendo realizado através de analises com base em explicações teóricas, simulações numéricas e medidas experimentais. A fim de avaliar melhorar o desempenho do NW-TFET, este trabalho utilizou dispositivos com diferentes materiais de fonte, sendo eles: Si, liga SiGe e Ge, além da variação da espessura de HfO2 no material do dielétrico de porta. Com o auxílio de simulações numéricas foram obtidos os diagramas de bandas de energia dos dispositivos NW-TFET com fonte de Si0,73Ge0,27 e foi analisada a influência de cada um dos mecanismos de transporte de portadores para diversas condições de polarização, sendo observado a predominância da influência da recombinação e geração Shockley-Read-Hall (SRH) na corrente de desligamento, do tunelamento induzido por armadilhas (TAT) para baixos valores de tensões de porta (0,5V > VGS > 1,5V) e do tunelamento direto de banda para banda (BTBT) para maiores valores tensões de porta (VGS > 1,5V). A predominância de cada um desses mecanismos de transporte foi posteriormente comprovada com a utilização do método de Arrhenius, sendo este método adotado em todas as análises do trabalho. O comportamento relativamente constante da corrente dos NW-TFETs com a temperatura na região de BTBT tem chamado a atenção e por isso foi realizado o estudo dos parâmetros analógicos em função da temperatura. Este estudo foi realizado comparando a influência dos diferentes materiais de fonte. O uso de Ge na fonte, permitiu a melhora na corrente de tunelamento, devido à sua menor banda proibida, aumentando a corrente de funcionamento (ION) e a transcondutância do dispositivo. Porém, devido à forte dependência de BTBT com o campo elétrico, o uso de Ge na fonte resulta em uma maior degradação da condutância de saída. Entretanto, a redução da espessura de HfO2 no dielétrico de porta resultou no melhor acoplamento eletrostático, também aumentando a corrente de tunelamento, fazendo com que o dispositivo com fonte Ge e menor HfO2 apresentasse melhores resultados analógicos quando comparado ao puramente de Si. O uso de diferentes materiais durante o processo de fabricação induz ao aumento de defeitos nas interfaces do dispositivo. Ao longo deste trabalho foi realizado o estudo da influência da densidade de armadilhas de interface na corrente do dispositivo, demonstrando uma relação direta com o TAT e a formação de uma região de platô nas curvas de IDS x VGS, além de uma forte dependência com a temperatura, aumentando a degradação da corrente para temperaturas mais altas. Além disso, o uso de Ge introduziu maior número de impurezas no óxido, e através do estudo de ruído foi observado que o aumento na densidade de armadilhas no óxido resultou no aumento do ruído flicker em baixa frequência, que para o TFET, ocorre devido ao armadilhamento e desarmadilhamento de elétrons na região do óxido. E mais uma vez, o melhor acoplamento eletrostático devido a redução da espessura de HfO2, resultou na redução desse ruído tornando-se melhor quando comparado à um TFET puramente de Si. Neste trabalho foi proposto um modelo de ruído em baixa frequência para o NW-TFET baseado no modelo para MOSFET. Foram realizadas apenas algumas modificações, e assim, obtendo uma boa concordância com os resultados experimentais na região onde o BTBT é o mecanismo de condução predominante.

Performance limits of graphene-ribbon field-effect transistors

The performance of field effect transistors based on an single graphene ribbon with a constriction and a single back gate are studied with the help of atomistic models. It is shown how this scheme, unlike that of traditional carbon-nanotube-based transistors, reduces the importance of the specifics of the chemical bonding to the metallic electrodes in favor of the carbon-based part of device. The ultimate performance limits are here studied for various constriction and metal-ribbon contact models. In particular, we show that, even for poorly contacting metals, properly tailored constrictions can give promising values for both the on conductance and the subthreshold swing.

Transistor current -- voltage relationships : a consideration of high voltage dc operation of junction transistors with special reference to avalanche multiplication and related phenomena /

"August 6, 1963"

Thermal resistance measurements on power transistors /

Mode of access: Internet.

Safe operating area limits for power transistors /

Includes bibliographical references.