Forschungsprofil

 

Nanoelektronik und Nanotechnologie

Bild Urheberrecht: © IHT RWTH

Ein Schwerpunkt unserer Forschung ist die Arbeit an nanoskaligen Feldeffekttransistoren (FETs), rekonfigurierbaren FETs sowie Band-zu-Band-Tunnel-FETs. Als Basis für unsere Arbeit verwenden wir traditionelle Bulk-Materialien wie Bulk-Silizium, Silizium-auf-Isolator, Gruppe-IV-Heterostrukturen (d.h. das SiGeSn-Materialsystem), aber auch neuartige nanoskalige Strukturen wie zweidimensionale Materialien. Die Integration zusätzlicher, individuell adressierbarer Gate-Elektroden entlang des Kanals eines FET ermöglicht die Manipulation des Potenzials innerhalb des Bauelements, um bestimmte Bauelementfunktionen zu realisieren. Dual-Gate-FETs (oberes Bild links) können beispielsweise als n-Typ- und p-Typ-FET betrieben werden, wenn geeignete Gate-Spannungen angelegt werden. Durch Hinzufügen eines dritten Gates (siehe Bild unten links) lassen sich sowohl n-/p-Typ als auch so genannte Band-zu-Band-Tunnel-FETs einstellen. Wir haben auch an der Erweiterung des Konzepts der Multi-Gate-Bauelemente gearbeitet, indem wir vergrabene Multigate-Plattformen mit zehn bis zwanzig Gate-Elektroden mit einer Gate-Länge und einem Abstand zwischen den Gate-Elektroden von nur etwa 5 nm realisiert haben. Solche Multigate-Substrate ermöglichen die Modulation des Potentials auf der Nanoskala.

Zur Herstellung unserer Bauelemente setzen wir fortschrittliche Nanofabrikationstechniken ein und entwickeln sie weiter, wie z. B. kombinierte Spacer-/Damascene-Prozesse, Ätzen von 3D-Silizium-Nanostrukturen mit Bosch-Prozessen, Wasserstoff-Temperung von Silizium, chemisch-mechanisches Polieren, Wafer-Bonding, Ätzen/Abscheidung von Atomschichten usw.

 
 

Quantentechnologie

Isotopen reines 28Si ist ein sehr attraktives Material für Halbleiter-Spin-Qubits, da es relativ lange Kohärenzzeiten verspricht, weil es kernspinfrei ist. Gleichzeitig kann die ausgereifte und hochentwickelte Silizium-Fertigungstechnologie der Halbleiterindustrie für die Herstellung von Qubits genutzt werden. Wir untersuchen, inwieweit Fertigungstechniken wie die Spacer-Lithographie genutzt werden können, um die Ausbeute zu erhöhen und die Variabilität der Qubit-Bauelemente zu verringern.

Da die Spin-Qubits mit mehreren Gate-Strukturen realisiert werden, die einzeln angesprochen werden müssen, um das Setzen, die Manipulation, die Fehlerkorrektur und das Auslesen der Qubits zu ermöglichen, wird eine klassische Steuerelektronik benötigt, die bei kryogenen Temperaturen betrieben werden muss. Aufgrund der eher geringen Kühlleistung von Kryostaten bei solchen Temperaturen muss diese kryogene Steuerelektronik mit Versorgungsspannungen im Bereich von wenigen zehn Millivolt betrieben werden, um die geforderte geringe Leistungsaufnahme zu erreichen. Interessanterweise nimmt der Idealwert der inversen Unterschwellensteigung zwar linear mit der Temperatur ab, aber das Schaltverhalten von MOSFETs sättigt aufgrund von sogenanntem "Band-Tailing". Daher werden Transistoren mit steiler inverser Unterschwellensteigung nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei kryogenen Temperaturen benötigt. Wir untersuchen derzeit Möglichkeiten zur Realisierung solcher kryogener, "steep-slope" FETs.

 
 

Neuromorphe Hardware

Neuromorphe Hardware Urheberrecht: © IHT RWTH

Das menschliche Gehirn ist das komplexeste und anspruchsvollste Informationsverarbeitungssystem, das wir kennen. Durch einen massiven Parallelbetrieb ist das Gehirn in der Lage, riesige Datenmengen mit sehr geringem Energieverbrauch zu verarbeiten. Ermöglicht wird diese extrem parallele Informationsverarbeitung durch ein sehr hohes Maß an Verbindungen zwischen Neuronen, die bei Lernprozessen selbstständig gesetzt und zurückgesetzt werden können. Die Demonstration einer ähnlich komplexen und dennoch flexiblen Vernetzungsfähigkeit ist eine große Herausforderung für künstliche neuronale Netze.

Memristive Materialien werden seit kurzem eingesetzt, um die Funktionalität von Synapsen nachzuahmen. So wurden z. B. Cross-Bar-Arrays mit elektrochemischen Metallisierungsmaterialien zwischen zwei senkrecht zueinander stehenden Metallelektroden realisiert, die es ermöglichen, einen Faden wachsen zu lassen, der die beiden Elektroden mit variablem Gewicht und Verweilzeit verbindet. Allerdings bieten solche Cross-Bar-Arrays nur eine begrenzte Konnektivität, da sie lediglich vertikale memristive Zellen verwenden. Derzeit arbeiten wir an der Realisierung eines 3D-Verbindungssystems, bei dem die Cross-Bar-Elektroden auf pilzförmige Elektroden reduziert werden, die in einem alternierenden Gitter angeordnet sind, so dass jede Elektrode mit ihren sechs nächsten Nachbarn verbunden werden kann. Auf diese Weise wird eine stark erhöhte Konnektivität erreicht.

 
 

Wir bedanken uns bei den zahlreichen Fördermittelgebern für ihre finanzielle Unterstützung