Οι μνήμες τεχνολογίας NAND Flash χρησιμοποιούνται ευρέως για αποθήκευση δεδομένων λόγω της χαρακτηριστικής πυκνότητας, της χαμηλής απαιτούμενης ισχύος, του χαμηλού κόστους, της υψηλής διεκπεραιωτικής ικανότητας και της αξιοπιστίας τους. Η ανάπτυξη της πολυεπίπεδης τεχνολογίας (MLC) έχει καταστήσει δυνατή την αντικατάσταση των σκληρών δίσκων οδήγησης (HDDs) στις φορητές συσκευές και ορισμένους υπολογιστές με NAND μνήμες. Βεβαίως, οι NAND μνήμες δεν διακρίνονται για την απουσία λαθών κατά την αποθήκευση, αλλά στηρίζονται σε τεχνικές διορθώσεις λαθών (ECC) για να επιτύχουν την κατάλληλη αξιοπιστία. Διάφορα φαινόμενα οδηγούν σε λάθη αποθήκευσης στις Flash μνήμες. Σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η ανάλυση αυτών των μηχανισμών εισαγωγής λαθών και η μελέτη από φυσικής πλευράς της τεχνολογίας των MLC NAND Flash μνημών. καθώς και η πειραματική αξιολόγηση τους και η εξαγωγή των αναγκαίων συμπερασμάτων. / --

NAND flash memories are popular due to their density and lower cost. However, due to serial access, NAND flash memories have low read and write speeds. As the flash sizes increase to 64GB and beyond, searches through flash memories become painfully slow. In this work we present a hardware design enhancement technique to speed-up search through flash memories. The basic idea is to generate a small signature for every memory block and store them in a signature block(s). When a search is initiated, signature block is searched which produces reference of possible blocks where data might be contained, reducing the total number of read operations. The additional hardware has no impact on read access times or sequential write times but increases the random write times by an average of 8-9%. Simulation experiments were performed for flash memory of size up to 16Gb. Simulation results show that the performance of searches improve by 2000X by using the proposed technique. The signature-based technique is used to find exact matching data. A discrete cosine transform based technique is used when partial matching of data is required. The same setup is also used to increase storage efficiency of data by performing data deduplication on the flash memory. The hardware implementation of the search technique results in 0.02% increase in area, 3.53% increase in power and can operate at a maximum frequency of 0.47GHz.

Submitted by JOSIANE SANTOS DE OLIVEIRA (josianeso) on 2018-09-21T17:00:26Z No. of bitstreams: 1 Guilherme Ferreira Lopes_.pdf: 4084198 bytes, checksum: ddd09816e33c4ef8fac72a3f74fcc9d5 (MD5) / Made available in DSpace on 2018-09-21T17:00:26Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Guilherme Ferreira Lopes_.pdf: 4084198 bytes, checksum: ddd09816e33c4ef8fac72a3f74fcc9d5 (MD5) Previous issue date: 2018-05-28 / CAPES - Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior / A memória NAND Flash lidera o mercado de memórias não voláteis por prover soluções para aplicações móveis, juntando alta densidade de armazenamento em uma área de silício muito pequena e consumindo pouca energia (RICHTER, 2014). Devido à mecanismos específicos para a realização de operações na memória, elas se tornam suscetíveis à falhas funcionais de interferências, assim aumentando a importância do teste(HOU; LI, 2014). Esta dissertação apresenta o projeto de um modelo funcional de memória NAND Flash com inserção de falhas caracterizadas em 2 etapas, a primeira etapa ocorreu utilizando a ferramenta LogisimTM, projetada para desenvolver e simular circuitos lógicos de forma que possam ser apresentados visualmente, a segunda etapa consistiu no desenvolvimento também de forma modular e escalar em linguagem de descrição de hardware (VHDL). As 2 ferramentas possuem a implementação de um circuito de injeção de falhas, capaz de simular e aplicar falhas funcionais de interferência e stuck-at na memória desenvolvida. Com base no modelo comercial de memórias NAND Flash, o trabalho visa desenvolver os circuitos presentes na memória, respeitando a organização dos sinais e a organização das células em páginas e blocos, sendo uma característica específica para memórias NAND Flash. Após o desenvolvimento do modelo funcional, ocorreu a primeira etapa de verificação e validação da memória, composta pela varredura de endereços, criação e comparação dos valores esperados com valores de saída e utilização de algoritmos de teste para a validação final, finalizando o projeto com a verificação e validação de cada falha injetada para que assim tenha-se um modelo funcional de uma memória NAND Flash capaz de inserir uma determinada falha na posição exata da matriz de memória. Após a modelagem realizou-se simulações para avaliar aplicabilidade do projeto desenvolvido e os resultados mostram o atingimento de 100% de cobertura das falhas desenvolvidas, chegando ao objetivo de criar um modelo funcional para possibilitar a inserção de falhas foi atingido.

Le transistor à ionisation par impact (I-MOS) est une nouvelle architecture présentant l'avantage de s'affranchir de la barrière des 60mV/dec à température ambiante, qui limite la pente sous le seuil de l'architecture MOSFET classique. Le I-MOS se présente comme une diode PiN dont la zone intrinsèque est partiellement recouverte par une grille. L'objectif de cette thèse est d'évaluer les performances du I-MOS comme candidat potentiel à « l'après CMOS », à la fois du point de vue du dispositif unitaire et dans un environnement circuit. Nous avons étudié le dispositif par le biais de simulations TCAD, afin de comprendre le dispositif et d'analyser la physique mise en jeu dans ce transistor. Nous avons fabriqué nos dispositifs sur substrats SOI, Si1-xGexOI et GeOI et proposé un procédé innovant de réalisation du I-MOS. Les dispositifs réalisés ont été testés électriquement afin de vérifier les propriétés fondamentales du I-MOS (2mV/dec mesurés...) et de comparer les performances du I-MOS avec celles des MOSFET co-intégrés. Le fonctionnement des I-MOS en mode tunnel bande à bande a aussi été observé. Nous avons également développé un modèle analytique pour le I-MOS qui décrit correctement le fonctionnement électrique du dispositif. Ce modèle a ensuite été intégré dans un environnement SPICE pour réaliser des simulations de circuits à base de I-MOS.

In the past years solid state disks have developed drastically and are now gaining increased popularity compared to conventional hard drives. While hard disk drives work predictable, transparent SSD routines work in the background without the user’s knowledge. This work describes the changes to the everyday life for forensic specialists; a forensic investigation includes data recovery and the gathering of a digital image of each acquired memory that provides proof of integrity through a checksum. Due to the internal routines, which cannot be stopped, checksums are falsified. Therefore the images cannot prove integrity of evidence anymore. The report proves the inconsistence of checksums of SSD and shows the differences in data recovery through high recovery rates on hard disk drives while SSD drives scored no recovery or very poor rates.

The aim of this work is to describe the basic mechanisms of memory management and access to peripherals via EBI at the ARM9 microcontroller family. It is a solution for connecting physical ethernet interface, SD / MMC card to the device and design a development kit with the ability to connect a hard or SSD drive. The second part is aimed at operating system Linux, its modification for the ARM9 family of microcontrollers and installing software packages.

With the continued and successful scaling of CMOS, process, voltage, and temperature (PVT), variations are increasing with each technology generation. The process variability impacts all design goals like performance, power budget and reliability of circuits significantly, resulting in yield loss. Hence, variability needs to be modeled and cancelled out by design techniques during the design phase itself. This thesis addresses the variability issues in 65 nm CMOS, across the domains of process technology, device physics and circuit design, with an eventual goal of accurate modeling and prediction of propagation delay and power dissipation. We have designed and optimized 65 nm gate length NMOS/PMOS devices to meet the specifications of the International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), by two dimensional process and device simulation based design. Current design sign-off practices, which rely on corner case analysis to model process variations, are pessimistic and are becoming impractical for nanoscale technologies. To avoid substantial overdesign, we have proposed a generalized statistical framework for variability-aware circuit design, for timing sign-off and power budget analysis, based on standard cell characterization, through mixed-mode simulations. Two input NAND gate has been used as a library element. Second order statistical hybrid models have been proposed to relate gate delay, static leakage power and dynamic power directly in terms of the underlying process parameters, using statistical techniques of Design Of Experiments - Response Surface Methodology (DOE-RSM) and Least Squares Method (LSM). To extend this methodology for a generic technology library and for computational efficiency, analytical models have been proposed to relate gate delays to the device saturation current, static leakage power to device drain/gate resistance characterization and dynamic power to device CV-characterization. The hybrid models are derived based on mixed-mode simulated data, for accuracy and the analytical device characterization, for computational efficiency. It has been demonstrated that hybrid models based statistical design results in robust and reliable circuit design. This methodology is scalable to a large library of cells for statistical static timing analysis (SSTA) and statistical circuit simulation at the gate level for estimating delay, leakage power and dynamic power, in the presence of process variations. This methodology is useful in bridging the gap between the Technology CAD and Design CAD, through standard cell library characterization for delay, static leakage power and dynamic power, in the face of ever decreasing timing windows and power budgets. Finally, we have explored the gate-to-source/drain overlap length as a device design parameter for a robust variability-aware device structure and demonstrated the presence of trade-off between performance and variability, both at the device level and circuit level.

This thesis presents the modeling and fabrication of a new solid-state device meant to be used for digital logic circuits. Most current logic circuits are based on MOSFETs. The new logic device uses some of the same operating principles, but also relies on optical illumination to provide input power. In order to obtain the desired current-voltage behavior of the new device, the Silvaco (Atlas) device simulation was used to give some insight into the correct doping levels in the semiconductor and device geometries. Prototypes were fabricated on p-type silicon wafers using CMOS fabrication processes including oxide growth, photolithography, precise plasma or chemical wet etching, diffusion processes, and thin film evaporation. Electrical measurements were done by using an HP4156 parameter analyzer to measure several output voltage signals at one time while an illuminating the device with laser light. The current-voltage characteristics under different biasing conditions with an optical illumination condition were measured and showed characteristics similar to an nMOS transistor.

Die enorme Steigerung der Leistungsfähigkeit integrierter Schaltkreise wird seit über 50 Jahren im Wesentlichen durch eine Verkleinerung der Bauelementdimensionen erzielt. Aufgrund des Erreichens physikalischer Grenzen kann dieser Trend, unabhängig von der Lösung technologischer Probleme, langfristig nicht fortgesetzt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger Transistoren und Schaltungen, welche im Vergleich zu konventionellen Bauelementen funktionserweitert sind, wodurch ein zur Skalierung alternativer Ansatz vorgestellt wird. Ausgehend von gewachsenen und nominell undotierten Silizium-Nanodrähten wird die Herstellung von Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) mit Hilfe etablierter und selbst entwickelter Methoden beschrieben und die Ladungsträgerinjektion unter dem Einfluss elektrischer Felder an den dabei erzeugten abrupten Metall–Halbleiter-Grenzflächen analysiert. Zur Optimierung der Injektionsvorgänge dienen strukturelle Modifikationen, welche zu erhöhten ambipolaren Strömen und einer vernachlässigbaren Hysterese der SBFETs führen. Mit dem rekonfigurierbaren Feldeffekttransistor (RFET) konnte ein Bauelement erzeugt werden, bei dem sich Elektronen- und Löcherinjektion unabhängig und bis zu neun Größenordnungen modulieren lassen. Getrennte Topgate-Elektroden über den Schottkybarrieren ermöglichen dabei die reversible Konfiguration von unipolarer Elektronenleitung (n-Typ) zu Löcherleitung (p-Typ) durch eine Programmierspannung, wodurch die Funktionen konventioneller FETs in einem universellen Bauelement vereint werden. Messungen und 3D-FEM-Simulationen geben einen detaillierten Einblick in den elektrischen Transport und dienen der anschaulichen Beschreibung der Funktionsweise. Systematische Untersuchungen zu Änderungen im Transistoraufbau, den Abmessungen und der Materialzusammensetzung verdeutlichen, dass zusätzliche Strukturverkleinerungen sowie die Verwendung von Halbleitern mit niedrigem Bandabstand die elektrische Charakteristik dieser Transistoren weiter verbessern. Im Hinblick auf die Realisierung neuartiger Schaltungen wird ein Konzept beschrieben, die funktionserweiterten Transistoren in einer energieeffizienten Komplementärtechnologie (CMOS) nutzbar zu machen. Die dafür notwendigen gleichen Elektronen- und Löcherstromdichten konnten durch einen modifizierten Ladungsträgertunnelprozess infolge mechanischer Verspannungen an den Schottkyübergängen erzielt und weltweit erstmalig an einem Transistor gezeigt werden. Der aus einem <110>-Nanodraht mit 12 nm Si-Kerndurchmesser erzeugte elektrisch symmetrische RFET weist dabei eine bisher einzigartige Kennliniensymmetrie auf.Die technische Umsetzung des Schaltungskonzepts erfolgt durch die Integration zweier RFETs innerhalb eines Nanodrahts zum dotierstofffreien CMOS-Inverter, der flexibel programmiert werden kann. Die rekonfigurierbare NAND/NOR- Schaltung verdeutlicht, dass durch die RFET-Technologie die Bauelementanzahl reduziert und die Funktionalität des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen erhöht werden kann. Ferner werden weitere Schaltungsbeispiele sowie die technologischen Herausforderungen einer industriellen Umsetzung des Konzeptes diskutiert. Mit der funktionserweiterten, dotierstofffreien RFET-Technologie wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, den technischen Fortschritt der Elektronik nach dem erwarteten Ende der klassischen Skalierung zu ermöglichen. / The enormous increase in performance of integrated circuits has been driven for more than 50 years, mainly by reducing the device dimensions. This trend cannot continue in the long term due to physical limits being reached. The scope of this thesis is the development and fabrication of novel kinds of transistors and circuits that provide higher functionality compared to the classical devices, thus introducing an alternative approach to scaling. The fabrication of Schottky barrier field effect transistors (SBFETs) based on nominally undoped grown silicon nanowires using established and developed techniques is described. Further the charge carrier injection in the fabricated metal to semiconductor interfaces is analyzed under the influence of electrical fields. Structural modifications are used to optimize the charge injection resulting in increased ambipolar currents and negligible hysteresis of the SBFETs. Moreover, a device has been developed called the reconfigurable field-effect transistor (RFET), in which the electron and hole injection can be independently controlled by up to nine orders of magnitude. This device can be reversibly configured from unipolar electron conducting (ntype) to hole conducting (p-type) by the application of a program voltage to the two individual top gate electrodes at the Schottky junctions. So the RFET merges the functionality of classical FETs into one universal device. Measurements and 3D finite element method simulations are used to analyze the electrical transport and to describe the operation principle. Systematic investigations of changes in the device structure, dimensions and material composition show enhanced characteristics in scaled and low bandgap semiconductor RFET devices. For the realization of novel circuits, a concept is described to use the enhanced functionality of the transistors in order to realize energy efficient complementary circuits (CMOS). The required equal electron and hole current densities are achieved by the modification of charge carrier tunneling due to mechanical stress and are shown for the first time ever on a transistor. An electrically symmetric RFET based on a compressive strained nanowire in <110> crystal direction and 12 nm silicon core diameter exhibits unique electrical symmetry. The circuit concept is demonstrated by the integration of two RFETs on a single nanowire, thus realizing a dopant free CMOS inverter which can be programmed flexibly. The reconfigurable NAND/NOR shows that the RFET technology can lead to a reduction of the transistor count and can increase the system functionality. Additionally, further circuit examples and the challenges of an industrial implementation of the concept are discussed.The enhanced functionality and dopant free RFET technology describes a novel approach to maintain the technological progress in electronics after the expected end of classical device scaling.

Die enorme Steigerung der Leistungsfähigkeit integrierter Schaltkreise wird seit über 50 Jahren im Wesentlichen durch eine Verkleinerung der Bauelementdimensionen erzielt. Aufgrund des Erreichens physikalischer Grenzen kann dieser Trend, unabhängig von der Lösung technologischer Probleme, langfristig nicht fortgesetzt werden. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und Herstellung neuartiger Transistoren und Schaltungen, welche im Vergleich zu konventionellen Bauelementen funktionserweitert sind, wodurch ein zur Skalierung alternativer Ansatz vorgestellt wird. Ausgehend von gewachsenen und nominell undotierten Silizium-Nanodrähten wird die Herstellung von Schottky-Barrieren-Feldeffekttransistoren (SBFETs) mit Hilfe etablierter und selbst entwickelter Methoden beschrieben und die Ladungsträgerinjektion unter dem Einfluss elektrischer Felder an den dabei erzeugten abrupten Metall–Halbleiter-Grenzflächen analysiert. Zur Optimierung der Injektionsvorgänge dienen strukturelle Modifikationen, welche zu erhöhten ambipolaren Strömen und einer vernachlässigbaren Hysterese der SBFETs führen. Mit dem rekonfigurierbaren Feldeffekttransistor (RFET) konnte ein Bauelement erzeugt werden, bei dem sich Elektronen- und Löcherinjektion unabhängig und bis zu neun Größenordnungen modulieren lassen. Getrennte Topgate-Elektroden über den Schottkybarrieren ermöglichen dabei die reversible Konfiguration von unipolarer Elektronenleitung (n-Typ) zu Löcherleitung (p-Typ) durch eine Programmierspannung, wodurch die Funktionen konventioneller FETs in einem universellen Bauelement vereint werden. Messungen und 3D-FEM-Simulationen geben einen detaillierten Einblick in den elektrischen Transport und dienen der anschaulichen Beschreibung der Funktionsweise. Systematische Untersuchungen zu Änderungen im Transistoraufbau, den Abmessungen und der Materialzusammensetzung verdeutlichen, dass zusätzliche Strukturverkleinerungen sowie die Verwendung von Halbleitern mit niedrigem Bandabstand die elektrische Charakteristik dieser Transistoren weiter verbessern. Im Hinblick auf die Realisierung neuartiger Schaltungen wird ein Konzept beschrieben, die funktionserweiterten Transistoren in einer energieeffizienten Komplementärtechnologie (CMOS) nutzbar zu machen. Die dafür notwendigen gleichen Elektronen- und Löcherstromdichten konnten durch einen modifizierten Ladungsträgertunnelprozess infolge mechanischer Verspannungen an den Schottkyübergängen erzielt und weltweit erstmalig an einem Transistor gezeigt werden. Der aus einem <110>-Nanodraht mit 12 nm Si-Kerndurchmesser erzeugte elektrisch symmetrische RFET weist dabei eine bisher einzigartige Kennliniensymmetrie auf.Die technische Umsetzung des Schaltungskonzepts erfolgt durch die Integration zweier RFETs innerhalb eines Nanodrahts zum dotierstofffreien CMOS-Inverter, der flexibel programmiert werden kann. Die rekonfigurierbare NAND/NOR- Schaltung verdeutlicht, dass durch die RFET-Technologie die Bauelementanzahl reduziert und die Funktionalität des Systems im Vergleich zu herkömmlichen Schaltungen erhöht werden kann. Ferner werden weitere Schaltungsbeispiele sowie die technologischen Herausforderungen einer industriellen Umsetzung des Konzeptes diskutiert. Mit der funktionserweiterten, dotierstofffreien RFET-Technologie wird ein neuartiger Ansatz beschrieben, den technischen Fortschritt der Elektronik nach dem erwarteten Ende der klassischen Skalierung zu ermöglichen.:Kurzzusammenfassung Abstract 1 Einleitung 2 Nanodrähte als aktivesGebiet fürFeldeffekttransistoren 2.1 Elektrisches Potential und Ladungsträgertransport in Transistoren 2.1.1 Potentialverlauf 2.1.2 Ladungsträgerfluss und Steuerung 2.2 Der Metall-Halbleiter-Kontakt 2.2.1 Ladungsträgertransport über den Schottky-Kontakt 2.2.2 Thermionische Emission 2.2.3 Ladungsträgertunneln 2.2.4 Methoden zur Beschreibung der Gesamtinjektion 2.3 Der Schottkybarrieren-Feldeffekttransistor 2.4 Stand der Technik 2.4.1 Elektronische Bauelemente auf Basis von Nanoröhren und Nanodrähten 2.4.2 Rekonfigurierbare Transistoren und Schaltungen 2.5 Zusammenfassung 3 TechnologienzurHerstellung vonNanodraht-Transistoren 3.1 Herstellung von SB-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengatelektrode 3.1.1 Nanodraht-Strukturbildung durch VLS-Wachstum 3.1.2 Drahttransfer 3.1.3 Herstellung von Kontaktelektroden 3.1.4 Herstellung von Schottky-Kontakten innerhalb eines Nanodrahtes 3.2 Strukturerzeugung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.1 Schichtstrukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.2 Strukturierung mittels ungerichteter Elektronenstrahllithographie 3.2.3 Justierte Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.4 Justierte Strukturierung mittels feinangepasster Elektronenstrahllithographie 3.2.5 Justierte Strukturierung mittels kombinierter optischer und Elektronenstrahllithographie 3.3 Zusammenfassung 4 Realisierung und Optimierung siliziumbasierter Schottkybarrieren- Nanodraht-Transistoren 4.1 Nanodraht-Transistor mit einlegierten Silizidkontakten 4.1.1 Transistoren auf Basis von Nanodrähten in <112>-Richtung 4.1.2 Transistoren mit veränderten Abmessungen 4.2 Analyse und Optimierung der Gatepotentialverteilung im Drahtquerschnitt in Kontaktnähe 4.3 Si/SiO2 - Core/Shell Nanodrähte als Basis für elektrisch optimierte Transistoren 4.3.1 Si-Oxidation im Volumenmaterial 4.3.2 Si-Oxidation am Draht 4.3.3 Silizidierung innerhalb der Oxidhülle 4.3.4 Core/Shell-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengate 4.4 Analyse der Gatepotentialwirkung in Abhängigkeit des Abstands zur Barriere 4.5 Zusammenfassung 5 RFET - Der Rekonfigurierbare Feldeffekttransistor 5.1 Realisierung des RFET 5.2 Elektrische Charakteristik 5.2.1 Elektrische Beschaltung und Funktionsprinzip 5.2.2 Elektrische Messungen 5.2.3 Auswertung 5.3 Transporteigenschaften des rekonfigurierbaren Transistors 5.3.1 Tunnel- und thermionische Ströme im RFET 5.3.2 Analyse der Transportvorgänge mit Hilfe der numerischen Simulation 5.3.3 Schaltzustände des RFET 5.3.4 On-zu-Off Verhältnisse des RFET 5.3.5 Einfluss der Bandlücke auf das On- zu Off-Verhältnis 5.3.6 Abhängigkeiten von geometrischen, materialspezifischen und physikalischen Parametern 5.3.7 Skalierung des RFET 5.3.8 Längenskalierung des aktiven Gebietes 5.4 Vergleich verschiedener Konzepte zur Rekonfigurierbarkeit 5.5 Zusammenfassung 6 Schaltungen aus rekonfigurierbaren Bauelementen 6.1 Komplementäre Schaltkreise 6.1.1 Inverter 6.1.2 Universelle Gatter 6.1.3 Anforderungen an komplementäre Bauelemente 6.1.4 Individuelle Symmetrieanpassung statischer Transistoren 6.2 Rekonfigurierbare Transistoren als Bauelemente für komplementäre Elektronik 6.2.1 Analyse des RFET als komplementäres Bauelement 6.2.2 Bauelementbedingungen für eine rekonfigurierbare komplementäre Elektronik 6.3 Erzeugung eines RFETs für rekonfigurierbare komplementäre Schaltkreise 6.3.1 Möglichkeiten der Symmetrieanpassung 6.3.2 Erzeugung eines RFET mit elektrischer Symmetrie 6.3.3 Erzeugung und Aufbau des symmetrischen RFET 6.3.4 Elektrische Eigenschaften des symmetrischen RFET 6.4 Realisierung von komplementären rekonfigurierbaren Schaltungen 6.4.1 Integration identischer RFETs 6.4.2 RFET-basierter komplementärer Inverter 6.4.3 Rekonfigurierbarer CMOS-Inverter 6.4.4 PMOS/NMOS-Inverter 6.4.5 Zusammenfassung zur RFET-Inverterschaltung 6.4.6 Rekonfigurierbarer NAND/NOR-Schaltkreis 6.5 Zusammenfassung und Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick Anhang Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Publikations- und Vortragsliste Danksagung Eidesstattliche Erklärung / The enormous increase in performance of integrated circuits has been driven for more than 50 years, mainly by reducing the device dimensions. This trend cannot continue in the long term due to physical limits being reached. The scope of this thesis is the development and fabrication of novel kinds of transistors and circuits that provide higher functionality compared to the classical devices, thus introducing an alternative approach to scaling. The fabrication of Schottky barrier field effect transistors (SBFETs) based on nominally undoped grown silicon nanowires using established and developed techniques is described. Further the charge carrier injection in the fabricated metal to semiconductor interfaces is analyzed under the influence of electrical fields. Structural modifications are used to optimize the charge injection resulting in increased ambipolar currents and negligible hysteresis of the SBFETs. Moreover, a device has been developed called the reconfigurable field-effect transistor (RFET), in which the electron and hole injection can be independently controlled by up to nine orders of magnitude. This device can be reversibly configured from unipolar electron conducting (ntype) to hole conducting (p-type) by the application of a program voltage to the two individual top gate electrodes at the Schottky junctions. So the RFET merges the functionality of classical FETs into one universal device. Measurements and 3D finite element method simulations are used to analyze the electrical transport and to describe the operation principle. Systematic investigations of changes in the device structure, dimensions and material composition show enhanced characteristics in scaled and low bandgap semiconductor RFET devices. For the realization of novel circuits, a concept is described to use the enhanced functionality of the transistors in order to realize energy efficient complementary circuits (CMOS). The required equal electron and hole current densities are achieved by the modification of charge carrier tunneling due to mechanical stress and are shown for the first time ever on a transistor. An electrically symmetric RFET based on a compressive strained nanowire in <110> crystal direction and 12 nm silicon core diameter exhibits unique electrical symmetry. The circuit concept is demonstrated by the integration of two RFETs on a single nanowire, thus realizing a dopant free CMOS inverter which can be programmed flexibly. The reconfigurable NAND/NOR shows that the RFET technology can lead to a reduction of the transistor count and can increase the system functionality. Additionally, further circuit examples and the challenges of an industrial implementation of the concept are discussed.The enhanced functionality and dopant free RFET technology describes a novel approach to maintain the technological progress in electronics after the expected end of classical device scaling.:Kurzzusammenfassung Abstract 1 Einleitung 2 Nanodrähte als aktivesGebiet fürFeldeffekttransistoren 2.1 Elektrisches Potential und Ladungsträgertransport in Transistoren 2.1.1 Potentialverlauf 2.1.2 Ladungsträgerfluss und Steuerung 2.2 Der Metall-Halbleiter-Kontakt 2.2.1 Ladungsträgertransport über den Schottky-Kontakt 2.2.2 Thermionische Emission 2.2.3 Ladungsträgertunneln 2.2.4 Methoden zur Beschreibung der Gesamtinjektion 2.3 Der Schottkybarrieren-Feldeffekttransistor 2.4 Stand der Technik 2.4.1 Elektronische Bauelemente auf Basis von Nanoröhren und Nanodrähten 2.4.2 Rekonfigurierbare Transistoren und Schaltungen 2.5 Zusammenfassung 3 TechnologienzurHerstellung vonNanodraht-Transistoren 3.1 Herstellung von SB-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengatelektrode 3.1.1 Nanodraht-Strukturbildung durch VLS-Wachstum 3.1.2 Drahttransfer 3.1.3 Herstellung von Kontaktelektroden 3.1.4 Herstellung von Schottky-Kontakten innerhalb eines Nanodrahtes 3.2 Strukturerzeugung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.1 Schichtstrukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.2 Strukturierung mittels ungerichteter Elektronenstrahllithographie 3.2.3 Justierte Strukturierung mittels Elektronenstrahllithographie 3.2.4 Justierte Strukturierung mittels feinangepasster Elektronenstrahllithographie 3.2.5 Justierte Strukturierung mittels kombinierter optischer und Elektronenstrahllithographie 3.3 Zusammenfassung 4 Realisierung und Optimierung siliziumbasierter Schottkybarrieren- Nanodraht-Transistoren 4.1 Nanodraht-Transistor mit einlegierten Silizidkontakten 4.1.1 Transistoren auf Basis von Nanodrähten in <112>-Richtung 4.1.2 Transistoren mit veränderten Abmessungen 4.2 Analyse und Optimierung der Gatepotentialverteilung im Drahtquerschnitt in Kontaktnähe 4.3 Si/SiO2 - Core/Shell Nanodrähte als Basis für elektrisch optimierte Transistoren 4.3.1 Si-Oxidation im Volumenmaterial 4.3.2 Si-Oxidation am Draht 4.3.3 Silizidierung innerhalb der Oxidhülle 4.3.4 Core/Shell-Nanodraht-Transistoren mit Rückseitengate 4.4 Analyse der Gatepotentialwirkung in Abhängigkeit des Abstands zur Barriere 4.5 Zusammenfassung 5 RFET - Der Rekonfigurierbare Feldeffekttransistor 5.1 Realisierung des RFET 5.2 Elektrische Charakteristik 5.2.1 Elektrische Beschaltung und Funktionsprinzip 5.2.2 Elektrische Messungen 5.2.3 Auswertung 5.3 Transporteigenschaften des rekonfigurierbaren Transistors 5.3.1 Tunnel- und thermionische Ströme im RFET 5.3.2 Analyse der Transportvorgänge mit Hilfe der numerischen Simulation 5.3.3 Schaltzustände des RFET 5.3.4 On-zu-Off Verhältnisse des RFET 5.3.5 Einfluss der Bandlücke auf das On- zu Off-Verhältnis 5.3.6 Abhängigkeiten von geometrischen, materialspezifischen und physikalischen Parametern 5.3.7 Skalierung des RFET 5.3.8 Längenskalierung des aktiven Gebietes 5.4 Vergleich verschiedener Konzepte zur Rekonfigurierbarkeit 5.5 Zusammenfassung 6 Schaltungen aus rekonfigurierbaren Bauelementen 6.1 Komplementäre Schaltkreise 6.1.1 Inverter 6.1.2 Universelle Gatter 6.1.3 Anforderungen an komplementäre Bauelemente 6.1.4 Individuelle Symmetrieanpassung statischer Transistoren 6.2 Rekonfigurierbare Transistoren als Bauelemente für komplementäre Elektronik 6.2.1 Analyse des RFET als komplementäres Bauelement 6.2.2 Bauelementbedingungen für eine rekonfigurierbare komplementäre Elektronik 6.3 Erzeugung eines RFETs für rekonfigurierbare komplementäre Schaltkreise 6.3.1 Möglichkeiten der Symmetrieanpassung 6.3.2 Erzeugung eines RFET mit elektrischer Symmetrie 6.3.3 Erzeugung und Aufbau des symmetrischen RFET 6.3.4 Elektrische Eigenschaften des symmetrischen RFET 6.4 Realisierung von komplementären rekonfigurierbaren Schaltungen 6.4.1 Integration identischer RFETs 6.4.2 RFET-basierter komplementärer Inverter 6.4.3 Rekonfigurierbarer CMOS-Inverter 6.4.4 PMOS/NMOS-Inverter 6.4.5 Zusammenfassung zur RFET-Inverterschaltung 6.4.6 Rekonfigurierbarer NAND/NOR-Schaltkreis 6.5 Zusammenfassung und Diskussion 7 Zusammenfassung und Ausblick 7.1 Zusammenfassung 7.2 Ausblick Anhang Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Literaturverzeichnis Publikations- und Vortragsliste Danksagung Eidesstattliche Erklärung