Experimental and theoretical study of 3C-Silicon Carbide nanowire field effect transistors

Abstract

Recently, the growth and characterization of one-dimensional (1-D) nanostructures (nanowires, nanorods, nanotubes) of wide-band-gap semiconductors have been extensively studied due to their potential for applications in nanoelectronics, sensors, batteries, and field emission displays (FEDs). The nanowire (NW) approach allows for a coaxial gate-dielectric channel geometry that is ideal for further downscaling and electrostatic control. Among the wide band-gap materials, 3C-SiC exhibits high values of thermal conductivity, breakdown electric field, electron drift velocity, Young’s modulus and hardness as well as excellent chemical and physical stability. Therefore, 3C-SiC semiconductor nanowires, grown either with top-down or bottom-up techniques, are expected to generate a new family of high-performance nanowire devices as an add-on to mainstream Si technology. This thesis is divided into three main parts. In the first chapter, an introduction to nanowire growth, properties and devices is presented. Our theoretical work follows in chapter two, where a study of 3C-SiC nanowire-based FETs (NWFETs) operating either in ballistic or in dissipative transport regime is indicated. More precisely, we introduce numerical simulations of gate-all-around (GAA) 3C-SiC and Si NWFETs using a full quantum self-consistent Poisson-Schrödinger algorithm within the non-equilibrium Green’s functions (NEGF) formalism. A direct comparison between Si and 3C-SiC device performances sheds some light on the different transport properties of the two materials. In the third and forth chapter, the nanowire growth, the fabrication and the electrical characterization of 3C-SiC NWFETs is presented. The last part of the thesis is devoted to the simulation of the electrical behaviour of the experimental NWFETs (both 3C-SiC and Si NWFETs) by using the Silvaco simulation tool. The accurate fitting of the experimental data, allows us to calculate the nanowire carrier concentration and mobility, and estimate the nanowire/dielectric interface quality as well as to study the effect of carrier concentration lowering, Schottky barriers height at contacts and the interface quality on the device’s performance.

Η ανάπτυξη και ο χαρακτηρισµός νανοδοµών µιας διάστασης (1-Δ) όπως νανονήµατα, νανοκολόνες ή νανοσωλήνες ηµιαγωγών υψηλού χάσµατος έχουν πρόσφατα εκτενώς µελετηθεί εξαιτίας των πιθανών εφαρµογών τους στη νανοηλεκτρονική, σε αισθητήρες, µπαταρίες και οθόνες εκποµπής πεδίου. Η χρήση νανονηµάτων επιτρέπει οµοκεντρική γεωµετρία διηλεκτρικού πύλης και καναλιού του τρανζίστορ η οποία είναι ιδανική για την περαιτέρω σµίκρυνση των διαστάσεων της διάταξης και καλύτερο ηλεκτροστατικό έλεγχο των φορέων. Ανάµεσα στους ηµιαγωγούς υψηλού χάσµατος, το καρβίδιο του πυριτίου (3C-SiC) έχει µεγάλο συντελεστή θερµικής αγωγιµότητας, µεγάλη τιµή ηλεκτρικού πεδίου κατάρρευσης και µέτρου ελαστικότητας, µεγάλη ταχύτητα ολίσθησης ηλεκτρονίων καθώς και εξαιρετική χηµική και φυσική σταθερότητα. Εποµένως, νανονήµατα 3C-SiC, κατασκευασµένα ακολουθώντας τεχνικές είτε από «πάνω προς τα κάτω» ή από «κάτω προς τα πάνω», αναµένεται να δηµιουργήσουν µια νέα οικογένεια ηλεκτρικών διατάξεων οι οποίες θα χρησιµοποιηθούν ως πρόσθετες/επέκταση στην υπάρχουσα τεχνολογία πυριτίου. Η παρούσα διδακτορική διατριβή χωρίζεται σε τρία κύρια µέρη. Στο πρώτο κεφάλαιο παρουσιάζεται µια εισαγωγή στην κατασκευή γενικά νανονηµάτων και στις βασικές ιδιότητές τους καθώς και σε διατάξεις βασισµένες σε αυτά. Η θεωρητική µας µελέτη εν συνεχεία ακολουθεί στο δεύτερο κεφάλαιο, όπου τρανζίστορ βασισµένα σε νανονήµατα 3C-SiC λειτουργούν είτε στην βαλλιστική περιοχή ή στην περιοχή όπου υπάρχει σκέδαση φορέων. Πιο συγκεκριµένα, παρουσιάζουµε αριθµητικές προσοµοιώσεις τρανζίστορ περιµετρικής πύλης βασισµένα σε νανονήµατα 3C-SiC και πυριτίου (Si) χρησιµοποιώντας έναν κβαντικό αλγόριθµο βασιζόµενο σε αυτό-συνεπή λύση των εξισώσεων Poisson και Schrödinger υπό τον φορµαλισµό εξισώσεων Green εκτός ισορροπίας (NEGF). Μια άµεση σύγκριση ανάµεσα σε διατάξεις 3C-SiC και πυριτίου επισηµαίνει τις βασικές διαφορές των δύο ηµιαγωγών όσον αφορά στην ηλεκτρική τους συµπεριφορά. Το τρίτο και τέταρτο κεφάλαιο αναφέρονται στην ανάπτυξη των νανονηµάτων, στην κατασκευή των τρανζίστορ και στον ηλεκτρικό χαρακτηρισµό τους. Στο τελευταίο µέρος της διδακτορικής διατριβής παρουσιάζουµε την προσοµοίωση των πειραµατικών µας αποτελεσµάτων χρησιµοποιώντας το λογισµικό προσοµοίωσης Silvaco. Η ακριβής προσοµοίωση µας επιτρέπει να υπολογίσουµε τη συγκέντρωση και την ευκινησία των φορέων στα νανονήµατα, και επίσης να εκτιµήσουµε την ποιότητα της διεπιφάνειας ανάµεσα στα νανονήµατα και το διηλεκτρικό υλικό, καθώς και να εντοπίσουµε την επίδραση της µείωσης της συγκέντρωσης των φορέων, του ύψους φραγµού στις επαφές πηγής και απαγωγού καθώς και της ποιότητας της διεπιφάνειας στην απόδοση του τρανζίστορ.

Récemment, la croissance et la caractérisation de nanostructures à une dimension (nanofils, nanotiges, nanotubes) de semiconducteurs à large bande interdite sont largement étudiées à cause de leurs applications potentielles en nanoélectronique, capteurs, batteries et cathodes à émission de champ. L’approche nanofil autorise une géométrie coaxiale de canal/diélectrique de grille, ce qui est idéal pour la réduction des dimensions et le contrôle électrostatique. Parmi les matériaux à large bande interdite, le SiC-3C présente de fortes valeurs de conductivité thermique, champ de claquage, vitesse de dérive des électrons, module de Young et dureté mais également une excellente stabilité chimique et physique. Par conséquent, on s’attend à ce que les nanofils à une dimension en SiC-3C, réalisés par la technique “top-down” ou “bottom-up”, génèrent une nouvelle famille de dispositifs haute performance offrant des avantages supplémentaires par rapport à la technologie «classique» Si. Ce manuscrit est divisé en 3 parties principales. Le premier chapitre donne une vision générale de la croissance des nanofils, de leurs propriétés et des dispositifs associés. L’étude théorique est présentée dans le deuxième chapitre, dans lequel est détaillé le fonctionnement des transistors à effet de champ à base de nanofil SiC-3C ou nanoFET (Field Effect Transistors, FETs) en régime de transport balistique ou en régime de diffusion. Plus précisément, des simulations numériques de nanoFETs à géométrie «gate-all-around» (GAA) à base de nanofils SiC-3C et Si sont présentées. Une description entièrement quantique du transport est adoptée pour les très courtes dimensions. Une résolution self-consistante des équations de Poisson et Schrödinger dans le formalisme des fonctions de Green hors équilibres (non equilibrium Green’s functions, NEGF) a été utilisée. Une comparaison directe entre les performances des dispositifs Si et SiC-3C donne quelques éclaircissements sur les différentes propriétés de transport des deux matériaux. Dans le troisième chapitre, la réalisation et la caractérisation électrique des nanoFETs SiC-3C sont présentées. La dernière partie de ce manuscrit est dédiée à la simulation des caractéristiques électriques des nanoFETs élaborés (SiC-3C et Si) en utilisant le logiciel Silvaco. Un ajustement précis des données expérimentales permet d’obtenir la densité de porteurs dans le canal et leur mobilité, d’estimer la qualité de l’interface nanofil/diélectrique, et d’étudier l’effet de la diminution de la concentration de porteurs, de la hauteur de barrière Schottky au niveau des contacts et de la qualité de l’interface sur les performances des dispositifs.