Nanowire Transistors and RF Circuits for Low-Power Applications

Abstract

The background of this thesis is related to the steadily increasing demand of higher bandwidth and lower power consumption for transmitting data. The work aims at demonstrating how new types of structures, at the nanoscale, combined with what is referred to as exotic materials, can help benefit in electronics by lowering the consumed power, possibly by an order of magnitude, compared to the industry standard, silicon (Si), used today.

Nanowires are semiconductor rods, with two dimensions at the nanoscale, which can be either grown with a bottom-up technique, or etched out with a top-down approach. The research interest concerning nanowires has gradually increasing for over two decades. Today, few have doubts that nanowires represent an attractive alternative, as scaling of planar structures has reached fundamental limits. With the enhanced electrostatics of a surrounding gate, nanowires offer the possibility of continued miniaturization, giving semiconductors a prolonged window of performance improvements.

As a material choice, compound semiconductors with elements from group III and V (III-Vs), such as indium arsenide (InAs), have the possibility to dramatically decrease power consumption. The reason is the inherent electron transport properties of III-Vs, where an electron can travel, in the order of, 10 times faster than in Si. In the projected future, inclusion of III-Vs, as an extension to the Si-CMOS platform, seems almost inevitable, with many of the largest electronics manufacturing companies showing great interest.

To investigate the technology potential, we have fabricated InAs nanowire metal-oxide-semiconductor field effect transistors (NW-FETs). The performance has been evaluated measuring both RF and DC characteristics. The best devices show a transconductance of 1.36 mS/µm (a device with a single nanowire, normalized to the nanowire circumference) and a maximum unilateral power gain at 57 GHz (for a device with several parallel nanowires), both values at a drive voltage of 0.5 V. The performance metrics are found to be limited by the capacitive load of the contact pads as well as the resistance in the non-gated segments of the nanowires. Using computer models, we have also been able to extract intrinsic transport properties, quantifying the velocity of charge carrier injection, which is the limiting property of semi-ballistic and ballistic devices. The value for our 45-nm-in-diameter nanowires, with 200 nm channel length, is determined to 1.7∙107 cm/s, comparable to other state-of-the-art devices at the same channel length.

To demonstrate a higher level of functionality, we have connected several NW-FETs in a circuit. The fabricated circuit is a single balanced differential direct conversion mixer and is composed of three stages; transconductance, mixing, and transimpedance. The basic idea of the mixer circuit is that an information signal can either be extracted from or inserted into a carrier wave at a higher frequency than the information wave itself. It is the relative size of the first and the third stage that accounts for the circuit conversion gain. Measured circuits show a voltage conversion gain of 6 dB and a 3-dB bandwidth of 2 GHz. A conversion mixer is a vital component when building a transceiver, like those found in a cellphone and any other type of radio signal transmitting device.

For all types of signals, noise imposes a fundamental limitation on the minimal, distinguishable amplitude. As transistors are scaled down, fewer carriers are involved in charge transport, and the impact of frequency dependent low-frequency noise gets relatively larger. Aiming towards low power applications, it is thus of importance to minimize the amount of transistor generated noise. Included in the thesis are studies of the level and origin of low-frequency 1/f-noise generated in NW-FETs. The measured noise spectral density is comparable to other non-planar devices, including those fabricated in Si. The data suggest that the level of generated noise can be substantially lowered by improving the high-k dielectric film quality and the channel interface. One significant discovery is that the part of the noise originating from the bulk nanowire, identified as mobility fluctuations, is comparably much lower than the measured noise level related to the nanowire surface. This result is promising as mobility fluctuations set the lower limit of what is achievable within a material system.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Surfplattor och mobiltelefoner med prestanda i klass med den hos stationära datorer för bara några år sedan är resultatet av den kontinuerliga hårdsatsning som i över 50 års tid stadigt lyckats göra den minsta elektronikkomponenten, transistorn, mindre, snabbare och mer strömsnål. Under senare år har det dock blivit svårare att förbättra prestandan enbart genom att minska transistorns storlek. För att längre framöver kunna få fortsatta prestandaökningar, som i sin tur kan generera nya och spännande sätt att interagera med elektronik, kan det behövas helt nya tillverkningsmetoder. Framtida transistorer konstruerade med nanotrådar är ett alternativ som kan ge möjlighet att fortsätta öka prestandan samtidigt som energiförbrukningen kraftigt kan minskas. Vi har demonstrerat nanotrådskretsar som opererar vid gigahertz-frekvenser, vilket är unikt då det visar på en högre nivå av funktion än vad som tidigare har publicerats kring nanotrådar. För att förstå hur nanotrådsteknik kan ge framtida fördelar är det nödvändigt att ge en övergripande bakgrund.

En transistor är en elektronisk ledare där flödet mellan två kontakter kan styras av och på från en tredje kontakt kallad styret. Transistorer används till att förstärka t.ex. radiosignaler, som är en analog applikation, alternativt utföra logiska beräkningar med 1:or och 0:or, som är en digital applikation. Mobiltelefonen är ett exempel på en elektronisk apparat som behöver transistorer i kretsar för både analoga och digitala applikationer.

Tidigt i utvecklingen av transistorn kom kisel att vara det halvledarmaterial som framstod som bäst lämpat. Kisel finns i överflöd, vanligen i form av sand, och det har varit relativt enkelt att omvandla denna halvledare till bra elektronledare. Det finns dock andra material som har egenskaper som i vissa avseenden är mer åtråvärda när det kommer till att bygga bra transistorer. Indium Arsenid (InAs), som är en förening av två grundämnen från grupp 3 och 5 i periodiska systemet, har förmågan att kunna transportera elektroner betydligt snabbare än vad som är möjligt i kisel. Detta ger fördelar både när det gäller hur snabbt en transistor kan slå av och på, samt hur mycket energi som förbrukas vid transporten av elektroner. Forskning tyder på att energiförbrukningen hos en transistor skulle kunna minskas med en faktor 10 i jämförelse med kiselteknik, samtidigt som arbetsfrekvensen kan ökas.

Arkitekturen hos en transistor har även den varit relativt konstant sedan den första integrerade kretsen utvecklades. Två kontakter har förbundits med en två-dimensionell (2D) yta, kanalen, som kan ändra motstånd genom att reglera en pålagd spänning på styret. En transistor med en 2D-kanal kallas för planar. Den aggressiva skalningen, för att öka prestandan, har dock lett till att kanalen har blivit väldigt kort i riktningen mellan de strömledande kontakterna, vilket i sin tur gör att fältverkan, inducerad av spänningen på styret, börjar bli otillräcklig. En lösning för att öka kontrollförmågan via styret är att ändra form på kanalen, och att istället för en planar design konstruera den som en pinne. Styret kan då läggas runtom pinnen och påverka från alla riktningar samtidigt. Detta är idén med en nanotrådstransistor. För att förstå hur strömmen styrs av och på i en nanotrådstransistor kan det var illustrativt att göra en liknelse med ett vattenflöde i en vattenslang. Styret fungerar då som en hand som kan greppa vattenslangen och krama åt alternativt släppa upp. Vid små dimensioner har ett omslutande styre visat sig vara långt mer effektivt än ett styre som endast inducerar ett elektriskt fält från en riktning.

Vi har tillverkat nanotrådstransistorer i InAs som uppvisat mycket bra prestanda. Genom att förfina tillförlitligheten i vår process har vi även kunnat tillverka kretsar bestående av tre stycken sammankopplade nanotrådstransistorer i en mixer design. En mixer används för att konvertera en signal till en högre eller en lägre frekvens och används t.ex. i mobiltelefoner för att skicka och ta emot data. Resultatet tillhör ett av de första rapporterade för nanotrådar med en kretsprestanda som ligger i närheten av gigahertz-området och som därmed närmar sig de frekvenser som är intressanta för att skicka data.

Planära kiseltransistorer kommer troligtvis att finnas kvar en lång tid framöver på grund av den låga tillverkningskostnaden. Med framtida krav på högre dataöverföring kan det dock finnas utrymme för specialiserade utökningar. Intresset från industrin inom området för alternativa tekniker är stort och många av de betydande företagen håller på med utveckling av transistorer som nyttjar nya kanaltyper och andra material än kisel.

• author: Persson, Karl-Magnus
• supervisor: Lars-Erik Wernersson
• opponent: Prof. Bollaert, Sylvain, University of Lille, France
• organization: Department of Electrical and Information Technology; Nano-lup-obsolete (research group)
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Engineering and Technology
• keywords: InAs, Nanowire, Metal-oxide-semiconductor field-effect transistor, MOSFET, RF, Mixer, Circuit, 1/f-noise, Simulation, Modelling
• pages: 150 pages
• defense location: Room E:1406, E-buildling, Ole Römersväg 3, Lund University Faculty of Engineering
• defense date: 2014-03-14 10:00:00
• ISBN: 978-91-7473-810-0
• project: EIT_WWW Wireless with Wires
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 3fb6ae4e-2561-470d-8108-5c6e9122343c (old id 4316603)
• date added to LUP: 2016-04-01 14:08:47
• date last changed: 2018-11-21 20:23:56