Reprogrammierbare Silizium-Nanodraht Logikschaltungen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
ReproNano zielte auf neuartige Silizium und Germanium Nanodraht basierte Transistoren und Schaltungen ab, die eine inhärente Multifunktionalität auf Baulementebene aufweisen und eine fein granulare reprogrammierbare Elektronik ermöglichen. Anders als in feldprogrammierbaren Gate- Arrays (FPGAs), bei denen statisch definierte funktionale Blöcke flexibel miteinander verbunden werden, verfolgte ReproNano eine Umkonfiguration auf Bauelementebene. Dieses Konzept verspricht den Entwurf neuartiger Schaltungen und Systeme, in denen die Anzahl an Transistoren und die Laufzeiten signifikant (im Vergleich zu CMOS) reduziert werden. Das Potential rekonfigurierbarer Schaltungen wurde bereits in XOR-basierten Gattern, Multi-Eingangs-Gattern und als Anwendung in der Hardware-Sicherheit nachgewiesen. In dem von der DFG geförderten Vorhaben wurde die rekonfigurierbare Elektronik auf Material-, Bauelement- und Schaltungsebene vorangetrieben. Der rekonfigurierbare Feldeffekttransistor (RFET) ist das Kernelement dieser Entwicklungen. Er ermöglicht die flexible Umprogrammierung zwischen p- und n-FET-Charakteristik mittels eines Spannunssignals. Komplementäre Schaltungen mit niedrigem Leistungsverbrauch können durch baugleiche RFETs ohne Dotierung hergestellt werden. Im Vorhaben ReproNano wurden RFETs auf Basis von bottom-up synthtisierten Silizium und Germanium und top-down auf silicon-on-insulator (SOI) Substraten hergestellt. Mit den Silizium basierten Bauelementen wurden die wesentlichen Voraussetzungen für eine Realisierung von rekonfigurierbaren Schaltungen erreicht. Darunter zählen die Symmetrie der IV-Kennlinien, die Untersuchung des Skalier- und Performance-Verhaltens und die Realisierung grundlegender logischer Schaltungskonfigurationen. Insbesondere erlaubt die Symmetrieeinstellung mittels elastischer Verspannung, die bisher nur von ReproNano nachgewiesen worden ist, realistische Schaltungsszenarien mit nur einer Versorgungsspannung. Um die Einsatzspannungen zu reduzieren und eine Skalierung zu ermöglichen wurden 3D omega gate Geometrien entwickelt. Durch die Realisierung parallel integrierter Nanodrähte mit geringen Eingangswiderständen und Kapazitäten konnten erhöhte An-Ströme erzielt werden. Germanium basierte RFETs wurden zum ersten mal demonstriert und es konnte nachgewiesen werden, dass diese Technologie das Potential aufweist die Verbrauchsleistung und die Schaltungsverzögerung signifikant zu reduzieren. 3D-Bauelement- und Prozess-Simulationen wurden zur Verifizierung, Modellbildung und Prognose von Bauelementcharakteristiken eingesetzt. Bauelement Einheitszellen sowie logische Schaltungen konnten entwickelt, simuliert und realisiert werden. Es wurde eine Bibliothek an Gatter, Multiplexer, multi-bit Addierer und Arithmetische Rechenenheiten (ALU) erstellt die klare Vorteile gegenüber herkömmliche CMOS Realisierungen aufweisen. Das Potential rekonfigurierbarer Schaltungen wurde weiter anhand von Studien über Laufzeiten, Flächen- und Leistungsverbrauch gegenüber CMOS evaluiert.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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A. Heinzig, J. Trommer, D. Grimm, T.Mikolajick and W. M. Weber
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J. Trommer, A. Heinzig, S. Slesazeck, T. Mikolajick and W. M. Weber
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/LED.2013.2290555) - Performance of Stress dependent reconfigurable Silicon Nanowire Transistors. Elec. Dev. Lett. (IEEE) 36, pp. 991-993 (2015)
T. Baldauf, A. Heinzig, J. Trommer, T. Mikolajick and W. M. Weber
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(Siehe online unter https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.5b01188) - Silicon Nanowires: Fabrication and Applications in Anisotropic Materials: Chapter 1 Preparation, Properties and Applications. Editor: L. Quan. NanoScience and Technology, Series. Springer International Publishing AG, Switzerland pp. 1-25 (2015) ISBN: 978-3-319-18292-6
T. Mikolajick and W. M. Weber
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J. Trommer, A. Heinzig, U. Mühle, M. Löffler, A. Winzer, P. M. Jordan, J. Beister, T. Baldauf, M. Geidel, B. Adolphi, E. Zschech, T. Mikolajick, and W. M. Weber
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S.-J. Park, D.-Y. Jeon, S. Piontek, M. Grube, J. Ocker, V. Sessi, A. Heinzig, J. Trommer, G.-T. Kim, T. Mikolajick and W. M. Weber
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J. Trommer, M. Simon, S. Slesazeck, W. M. Weber and T. Mikolajick
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ESSDERC.2019.8901730) - Functionality-Enhanced Devices: An alternative to Moore's Law. Chapter 3 “Germanium based nanowire polarity controllable transistor”. Editor: P. E. Gaillardon. The Institution of Engineering and Technology (IET) , London, UK pp. 13-25 (2019) ISBN: 9781785615580
W. M. Weber , J. Trommer, A. Heinzig and T. Mikolajick
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S. Rai, J. Trommer, M. Raitza, T. Mikolajick, W. M. Weber and A. Kumar
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/TVLSI.2018.2884646)
