Development of III-V RF Nanowire MOSFETs
(2018) EITM01 20181Department of Electrical and Information Technology
- Abstract
- The silicon MOSFET is one of the most important components used in modern electronics. The pursuit to continue fulfilling Moore’s law by scaling transistors to even smaller sizes have driven the development forward for CMOS technologies and new approaches have been necessary. These include changing the geometry of the devices for even higher performance, like creating 3D structures (finFETs or tri-gates) for better electrostatic control. With the aggressive scaling, power dissipation has become an increasing problem in CMOS applications. One way to combat this is by introducing a material in the channel with superior transport properties, like InGaAs.
As the development of MOSFET technology for CMOS applications continue, devices with... (More) - The silicon MOSFET is one of the most important components used in modern electronics. The pursuit to continue fulfilling Moore’s law by scaling transistors to even smaller sizes have driven the development forward for CMOS technologies and new approaches have been necessary. These include changing the geometry of the devices for even higher performance, like creating 3D structures (finFETs or tri-gates) for better electrostatic control. With the aggressive scaling, power dissipation has become an increasing problem in CMOS applications. One way to combat this is by introducing a material in the channel with superior transport properties, like InGaAs.
As the development of MOSFET technology for CMOS applications continue, devices with excellent high frequency performance have been demonstrated. Thus, the MOSFET has also emerged as a possible alternative to the HEMT in high frequency applications. The desirable properties of an RF transistor differs somewhat from CMOS transistors, as stability and high gain are more important than size and power dissipation.
In this thesis, lateral InGaAs nanowire MOSFETs for RF applications with different geometries have been fabricated and characterised. The transistors exhibit a highest ft and fmax of 150 GHz and 280 GHz respectively. The devices were fabricated in a cleanroom environment and measured in both DC and RF. Small signal modelling was performed using Matlab. A model of the devices was also made in COMSOL multiphysics and simulations were performed to investigate the effect of different geometries on the gate-source and gate-drain capacitance. The results form the simulation showed similar values to the fabricated devices. This indicates that the model was accurate.
The fabrication yielded very few working devices compared to what was fabricated. Some of the working devices showed performance compared to similar devices that have been demonstrated. Though a few devices show promising RF characteristics, the fabrication process needs to be refined. (Less) - Popular Abstract (Swedish)
- Om du skulle gissa på hur många komponenter det finns i din mobiltelefon, vad hade du gissat på då? 10? 100? 1 000 000? Skulle du tro mig om jag säger att svaret är runt 200 miljarder? För det är faktiskt så.
I din telefon och i all elektronisk utrustning runt omkring dig finns miljontals små elektroniska byggdelar som gör vårt tekniska samhälle möjligt. Snabba, smarta och kraftfulla datorer och mobiltelefoner är vi vana vid att ha med oss varje dag och det finns en konstant strävan till förbättring. Komponenten som har gjort denna tekniska utveckling möjlig är transistorn, som är en väldigt mångsidig byggsten. Trots dess minimala storlek på endast några nanometer i gatelängd (nu pratar vi om storlek tjockleken av ett hårstrå delat i 100... (More) - Om du skulle gissa på hur många komponenter det finns i din mobiltelefon, vad hade du gissat på då? 10? 100? 1 000 000? Skulle du tro mig om jag säger att svaret är runt 200 miljarder? För det är faktiskt så.
I din telefon och i all elektronisk utrustning runt omkring dig finns miljontals små elektroniska byggdelar som gör vårt tekniska samhälle möjligt. Snabba, smarta och kraftfulla datorer och mobiltelefoner är vi vana vid att ha med oss varje dag och det finns en konstant strävan till förbättring. Komponenten som har gjort denna tekniska utveckling möjlig är transistorn, som är en väldigt mångsidig byggsten. Trots dess minimala storlek på endast några nanometer i gatelängd (nu pratar vi om storlek tjockleken av ett hårstrå delat i 100 000 delar!) är transistormarknaden en miljardindustri. Gatelängd är ett mått som används för att jämföra storleken på olika transistorer, och motsvarar sträckan strömmen måste färdas i transistorn. Om det ska få plats 200 miljarder komponenter i en mobiltelefon behöver de vara rätt så små om du ska orka bära med dig den, inte sant?
Transistorn kan både användas som av/på-knapp i logiska kretsar och som förstärkare, beroende på hur den byggs. För hur konstigt det än låter att så små saker kan byggas så är det faktiskt sant! I väldigt rena miljöer, med stora och dyra maskiner, tillverkas transistorer med en rad komplicerade men väl beprövade metoder. Beroende på hur man designar geometrin och vilka material man använder i byggandet får transistorn olika egenskaper. Den vanligaste typen av transistor kallas MOSFET och är vanligtvis baserad på grundämnet kisel, vilket är superbra för logiska användningsområden. Men om man ändrar materialet till en sammansättning av andra grundämnen, och ändrar geometrin lite, kan man få en MOSFET som passar bra även till andra applikationer, så som förstärkare vid höga frekvenser.
I detta examensarbete har vi tillverkat transistorer för högfrekvensapplikationer med en gatelängd mellan 40 och 70 nanometer som uppvisar goda egenskaper vid höga frekvenser. För en transistor med 40 nanometer gatelängd uppmättes en högsta användningsfrekvens till 153 GHz för strömförstärkning och motsvarande 278 GHz för effektförstärkning. Transistorerna som tillverkades är MOSFETs baserade på en förening mellan indium, gallium och arsenik (InGaAs) och använder nanotrådar för att leda ström. Att använda nanotrådar och InGaAs är båda att föredra för att uppnå höga hastigheter, då elektroner rör sig mindre hindrat i denna kombinationen.
Målet var att jämföra hur olika geometrier skulle påverka prestandan, och även skapa en bild av hur transistorn kan förbättras för att nå högre frekvenser. Tre olika geometrier designades men bara två av dem gav resultat. Alla transistorer tillverkades i Lund Nano Lab och mättes sedan i både direktström (DC)- och radiofrekvens (RF)-miljö. Resultaten var mycket varierande eftersom många av transistorerna inte fungerade. Trots det har vi visat att transistorerna med de valda materialen och designen fungerar och visar lovande förutsättningar för att bli bättre! (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
http://lup.lub.lu.se/student-papers/record/8950145
- author
- Rost, Josefine LU and Wagnström, Anna LU
- supervisor
-
- Erik Lind LU
- Fredrik Lindelöw LU
- organization
- course
- EITM01 20181
- year
- 2018
- type
- H2 - Master's Degree (Two Years)
- subject
- keywords
- Nanowire MOSFET, RF, COMSOL Multiphysics, Semiconductor processing, III-V Materials
- report number
- LU/LTH-EIT 2018-651
- language
- English
- id
- 8950145
- date added to LUP
- 2018-06-25 11:14:21
- date last changed
- 2018-06-25 11:14:21
@misc{8950145,
abstract = {{The silicon MOSFET is one of the most important components used in modern electronics. The pursuit to continue fulfilling Moore’s law by scaling transistors to even smaller sizes have driven the development forward for CMOS technologies and new approaches have been necessary. These include changing the geometry of the devices for even higher performance, like creating 3D structures (finFETs or tri-gates) for better electrostatic control. With the aggressive scaling, power dissipation has become an increasing problem in CMOS applications. One way to combat this is by introducing a material in the channel with superior transport properties, like InGaAs.
As the development of MOSFET technology for CMOS applications continue, devices with excellent high frequency performance have been demonstrated. Thus, the MOSFET has also emerged as a possible alternative to the HEMT in high frequency applications. The desirable properties of an RF transistor differs somewhat from CMOS transistors, as stability and high gain are more important than size and power dissipation.
In this thesis, lateral InGaAs nanowire MOSFETs for RF applications with different geometries have been fabricated and characterised. The transistors exhibit a highest ft and fmax of 150 GHz and 280 GHz respectively. The devices were fabricated in a cleanroom environment and measured in both DC and RF. Small signal modelling was performed using Matlab. A model of the devices was also made in COMSOL multiphysics and simulations were performed to investigate the effect of different geometries on the gate-source and gate-drain capacitance. The results form the simulation showed similar values to the fabricated devices. This indicates that the model was accurate.
The fabrication yielded very few working devices compared to what was fabricated. Some of the working devices showed performance compared to similar devices that have been demonstrated. Though a few devices show promising RF characteristics, the fabrication process needs to be refined.}},
author = {{Rost, Josefine and Wagnström, Anna}},
language = {{eng}},
note = {{Student Paper}},
title = {{Development of III-V RF Nanowire MOSFETs}},
year = {{2018}},
}