Δομές ημιαγωγών-διηλεκτρικών για προηγμένες/μετά CMOS ηλεκτρονικές διατάξεις

Γκόλιας, Ευάγγελος Α.

dc.contributor.author	Γκόλιας, Ευάγγελος Α.	el
dc.date.accessioned	2015-02-04T12:32:17Z
dc.date.available	2015-02-04T12:32:17Z
dc.date.issued	2015-02-04
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40213
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.1487
dc.rights	Default License
dc.subject	Διηλεκτρικά	el
dc.subject	Τρανζίστορ	el
dc.subject	Σιλισένιο	el
dc.subject	Συναρτησοειδές Πυκνότητα	el
dc.subject	Dielectrics	en
dc.subject	CMOS	en
dc.subject	Density Functional Theory	en
dc.title	Δομές ημιαγωγών-διηλεκτρικών για προηγμένες/μετά CMOS ηλεκτρονικές διατάξεις	el
heal.type	doctoralThesis
heal.secondaryTitle	Semiconductor-dielectric integration for advanced/post CMOS devices	en
heal.classification	Ηλεκτρονικές διατάξεις	el
heal.language	el
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2013-12-13
heal.abstract	Το πυρίτιο αποτελεί μέχρι σήμερα το υλικό που βασίζονται οι σύγχρονες ηλεκτρονικές διατάξεις. Η κεντρική θέση του πυριτίου στην σύγχρονη τεχνολογία οφείλεται κατά κύριο λόγο στην εξαιρετική διεπιφάνεια που σχηματίζει με το φυσικό του οξείδιο. Με την τεχνολογία CMOS και θεμελιώδεις μονάδες τα τρανζίστορ επίδρασης πεδίου MOSFET η υπολογιστική ισχύς των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων αυξανόταν συνεχώς μέσω της μείωσης των φυσικών διαστάσεων των MOSFET. Το πρώτο σημαντικό εμπόδιο για την συνέχιση της σμίκρυνσης των τρανζίστορ, τα ρεύματα διαρροής λόγω του φαινομένου σήραγγας, ξεπεράστηκε επιτυχώς έξι χρόνια πριν με την αντικατάσταση του SiO2 στην πύλη των τρανζίστορ από υλικά υψηλής διηλεκτρικής σταθεράς. Σήμερα, νέες τρισδιάστατες αρχιτεκτονικές (FinFET) χρησιμοποιούνται για την βελτίωση του ηλεκτροστατικού ελέγχου του καναλιού των τρανζίστορ που συνεχώς συρρικνώνεται. Στα επόμενα δέκα χρόνια η αντικατάσταση του πυριτίου στα λεγόμενα προηγμένα CMOS αναμένεται να δώσει μια ώθηση στις επιδόσεις των ολοκληρωμένων κυκλωμάτων για να εξισορροπήσουν τις αρνητικές επιπτώσεις της σμίκρυνσης των φυσικών διαστάσεων. To Ge και οι ΙΙΙ-V ημιαγωγοί είναι στο επίκεντρο της έρευνας για την αντικατάσταση του πυριτίου. Το μεγαλύτερο όμως ερευνητικό ενδιαφέρον έχουν επικεντρώσει υλικά που θα εισάγουν την σύγχρονη ηλεκτρονική τεχνολογία για την μετά-CMOS εποχή. Υλικά που σχηματίζουν σταθερές διδιάστατες δομές όπως το γραφένιο, MoS2, σιλισένιο και γερμανένιο ερευνώνται εντατικά και αναμένεται να προσφέρουν την απόλυτη σμίκρυνση μαζί με εξαιρετικό ηλεκτροστατικό έλεγχο περιορίζοντας το κανάλι στις δύο διαστάσεις. Η παρούσα διδακτορική διατριβή πραγματεύεται ζητήματα των προηγμένων και μετά-CMOS ηλεκτρονικών διατάξεων. Στο πρώτο μέρος εξετάζεται ένα κεντρικό ζήτημα στις ηλεκτρονικές διατάξεις Ge. Το φυσικό οξείδιο του γερμανίου, που σήμερα θεωρείται μια πιθανή λύση για την αδρανοποίηση της επιφάνειας του γερμανίου, είναι θερμοδυναμικά ασταθές. Η αποφυγή των ατελειών που προέρχονται από τα πτητικά προϊόντα γερμανίου είναι κρίσιμο ζήτημα για την αξιοπιστία των MOSFET γερμανίου. Χρησιμοποιώντας θεωρητικές μεθόδους διερευνούμε τις επιπτώσεις των ατελειών γερμανίου σε μια σειρά διηλεκτρικών. Παράλληλα, εξετάζεται θεωρητικά η έγχυση ατόμων μετάλλου σε διεπιφανειακό στρώμα διοξειδίου του γερμανίου και τα θεωρητικά αποτελέσματα αναδεικνύουν την σημασία του μεταλλικού σθένους στην επιλογή του διηλεκτρικού για την πύλη των τρανζίστορ. Αξιολογώντας ηλεκτρικές μετρήσεις MOS γερμανίου με στρώμα αδρανοποίησης GeO2 προτείνουμε έναν διαφορετικό δρόμο για την αδρανοποίηση της επιφάνειας του Ge με ταυτόχρονη αποφυγή των πτητικών προϊόντων γερμανίου με τη χρήση LaGeOx. Με φασματοσκοπικές μεθόδους αναδεικνύουμε την ευεργετική επίδραση στη χημεία της διεπιφάνειας που επιφέρει η παρουσία του La. Στο δεύτερο μέρος της παρούσας εργασίας, που αποτελείται από δύο κεφάλαια, μελετώνται διδιάστατες δομές υποψήφιες για τις μετά-CMOS διατάξεις. Το σιλισένιο και το γερμανένιο αποτελούν τα διδιάστατα ανάλογα του γραφενίου αποτελούμενα από πυρίτιο και γερμάνιο αντίστοιχα. Θεωρητικές μελέτες έχουν προβλέψει την σταθερότητά τους αλλά σε αντίθεση με το γραφένιο δεν υπάρχουν σε φυσική μορφή και θα πρέπει να δημιουργηθούν σε κατάλληλα υποστρώματα. Παράλληλα η θεωρία προβλέπει την ύπαρξη φερμιονίων Dirac στην ηλεκτρονιακή δομή των υλικών αυτών. Στην παρούσα εργασία επιβεβαιώνουμε τον δομικό σχηματισμό του σιλισενίου σε υποστρώματα αργύρου και παρουσιάζουμε μια αναλυτική καταγραφή της ηλεκτρονιακής του δομής. Τα πειραματικά μας αποτελέσματα δείχνουν ότι το σιλισένιο στον άργυρο δεν φιλοξενεί φερμιόνια Dirac. Το γερμανένιο από την άλλη πλευρά δεν έχει μέχρι σήμερα δημιουργηθεί σε κάποιο υπόστρωμα. Στον άργυρο όμως, η εναπόθεση γερμανίου οδηγεί στην δημιουργία ενός επιφανειακού κράματος με μια χαρακτηριστική ηλεκτρονιακή δομή. Το κράμα αυτό συμπληρώνει μια σειρά διδιάστατων ηλεκτρονιακών συστημάτων που έχουν εμφανιστεί στον άργυρο τα τελευταία χρόνια και εκδηλώνουν έντονα το σχετικιστικό φαινόμενο Rashba. Η ηλεκτρονιακή δομή του συστήματος αυτού, άγνωστη μέχρι σήμερα, καταγράφεται αναλυτικά με ένα συνδυασμό υπολογισμών από πρώτες αρχές και μετρήσεων φασματοσκοπίας.	el
heal.abstract	Up to date silicon is playing the leading role in the semiconductor industry mainly due to the excellent properties of its native oxide SiO2, which forms a high electrical quality interfacial layer with underlying Si. Fully depleted, thin body multigated devices either in the form of FinFETs or UTB on SOI are currently the main vehicles for Si –based mainstream digital logic technologies which can deliver high performance devices. In addition, due to the high carrier mobility, Ge and III-V semiconductors are attractive as active channels for advanced complementary metal oxide semiconductor (CMOS) devices. Nevertheless, new materials of the so-called post CMOS era have recently attracted intense scientific attention. In particular, chemically stable two-dimensional materials such as graphene, MoS2, silicene and germanene could offer ultimate thickness scaling “condensing” all charge transport into a single layer of atoms. The current PhD thesis concerns with issues of both advanced and post-CMOS electronic devices. In the first part of the thesis a critical issue in the ultimate scaling of Ge CMOS devices is being investigated. Germanium native oxide GeO2 could act as a good passivating layer for both n and p-type Ge MOSFETs. However, GeO2 becomes unstable when it is deposited on Ge at elevated temperature because it reacts with it forming volatile Ge products. In this work, the injection of metal atoms from a high-k oxide cap to a passivating GeO2 layer is being probed by means of first-principles calculations. In addition it is experimentally shown that La2O3 on Ge and the subsequent formation of a LaGeOx interfacial layer is an alternative route to obtain good passivation and nearly ideal C-V characteristics. In the second part of the thesis -outlined in Chapters 4 and 5-, two-dimensional structures are being investigated as possible candidates for post-CMOS devices. Silecene and germanene, are graphene’s 2D-analogues for silicon and germanium, respectively. Theoretical studies have shown that free-standing silicene/germanene are stable with linearly dispersing  and * bands crossing at the Fermi level (EF) thus forming a Dirac cone at the points of the Brillouin zone (BZ). Both silicene and germanene do not exist in nature, and therefore there is an increasing effort to realize them on suitable substrates such as Ag(111). In this study the formation of epitaxial silicene on Ag(111) has been confirmed by reflection high energy electron diffraction measurements and its electronic band structure was imaged by angle resolved photoelectron spectroscopy. Linear dispersions have been observed in the ARPES spectra which have been attributed to an Ag-Si hybridization, rather than to silicene Dirac cone. On the other hand, germanene has never been realized experimentally. It turns out that the growth submonolayer Ge on Ag(111) results in the formation of an Ag2Ge-ordered surface alloy similar to the group of surface alloys with Rashba-type spin-split states. The electronic structure of such a complex system has been revealed by a combination of theoretical first-principles calculations and experimental ARPES measurements.	en
heal.advisorName	Τσέτσερης, Λεωνίδας	el
heal.committeeMemberName	Δημουλάς, Αθανάσιος	el
heal.committeeMemberName	Τσουκαλάς, Δημήτρης	el
heal.committeeMemberName	Παρασκευαΐδης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Ράπτης, Ιωάννης	el
heal.committeeMemberName	Ράπτης, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Σουγλερίδης, Βασίλειος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Εφαρμοσμένων Μαθηματικών και Φυσικών Επιστημών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	147 σ.
heal.fullTextAvailability	true