Adaptive Analog and Digital Circuits based on Reconfigurable Germanium Transistors

Rekonfigurierbare Feldeffekttransistoren (RFETs) auf Basis von Schottky-Kontakten bieten eine Polaritätssteuerung ohne Kanaldotierung, die ein NMOS/PMOS-Umschalten während der Laufzeit ermöglicht, und stellen daher ein vielversprechendes Bauelementkonzept für kompakte, adaptive und energieeffiziente elektronische Systeme dar. Germanium auf Silizium auf Isolator (GeSOI) bietet eine verbesserte Ladungsträgerinjektion, erfordert jedoch eine optimierte Kontakttechnik, um eine symmetrische Elektronen- und Lochinjektion zu erreichen. Diese Arbeit untersucht die technologische Entwicklung, das elektrische Verhalten und die Schaltungsfunktionalität der zweiten und dritten Generation von Al-Si-Ge Multi-Heterojunction-RFETs auf Basis der GeSOI-Plattform.Die Arbeit kombiniert Verbesserungen auf Fertigungsebene mit einer erweiterten Charakterisierungsmethodik. Um die Symmetrie und die elektrostatische Steuerung zu verbessern, wurden auf Festkörperaustausch basierende Al-Si-Ge Multi-Heterojunction und ein SiO2/ZrO2 Gate-Stack implementiert. Zur Bewertung der Übertragungseigenschaften, der On- Off-Verhältnisse, der Temperaturstabilität und des Schaltverhaltens wurden automatisierte Gleichstrom- und Transientenmessungen durchgeführt, darunter mehrdimensionale große Parametersweeps. Es wurden mehrere Schaltungskonfigurationen realisiert, darunter komplementäreInverter, Common-Source- und Common-Drain-Verstärker sowie ein rekonfigurierbares Transmission Gate.Die Ergebnisse zeigen eine deutliche Weiterentwicklung von den Geräten der ersten Generation hin zu symmetrischen und leistungsstarken RFET-Schaltungen. Die dritte Generation erreicht eine nahezu ausgeglichene Leitung in NMOS und PMOS Modus, wobei sich Ip on/In on von 4.1 in der ersten Generation auf ≈ 0.88 verbessert und das On-to-Off- Verhältnis etwa sechs Dekaden beträgt. Die Verstärkung von Common-Source-Verstärkern stieg von nahezu Eins bei frühen Geräten auf Werte um 10 in der dritten Generation,während die Verstärkung von Common-Drain-Verstärkern bis zu 0,75 mit stabilen Arbeitspunkten erreichte. Das Transmission Gate zeigt korrektes bidirektionales Schalten, abstimmbare Dämpfung und reproduzierbares Übergangsverhalten mit einem effektiven Widerstand, der im Bereich von GΩ bis 100 kΩ einstellbar ist. Diese Ergebnisse etablieren die dritte Generation von GeSOI-RFETs als robuste Plattform für rekonfigurierbare analoge und gemischte Signalschaltungen. Die nachgewiesene Verstärkungsabstimmbarkeit, der symmetrische Betrieb und die bidirektionale Übertragungsfähigkeit unterstreichen die Vielseitigkeit von RFET-basierten Architekturen. Zu den verbleibenden Herausforderungen zählen Ladungseffekte und eine begrenzte dynamische Leistung, die durch eine verbesserte Passivierung, optimierte Dielektrika und eine verbesserte Messintegration gelöst werden können. Die Ergebnisse bilden die Grundlage für die Entwicklung komplexerer rekonfigurierbarer Schaltungen und adaptiver elektronischer Systeme auf Basis der RFET-Technologie.