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cfaed-Partner NaMLab achieved a significant breakthrough

World´s first universal transistor, fusing n- and p- type behavior with equal performance into a single device
Press Release No 5

Published on in PRESS RELEASES

Scientists at the cfaed-partner Nanoelectronic Materials Laboratory (NaMLab gGmbH) have demonstrated the world´s first universal transistor that delivers equal performance for n- and p- type response. They demonstrated an energy efficient CMOS circuit with one single transistor type instead of the two different types used in conventional electronics.

Additionally, the nanowire circuit provides different circuit functions enabled by switching the transistors configuration. In contrast state of the art devices have significant differences in composition, technology and size for the different conduction types. The new technology could change the current major CMOS technology significantly enabling a single MOS technology with enhanced functionality.

The vast majority of today’s digital circuits relies on complementary logic (CMOS), where p- and n- type transistors are alternately switched to reduce standby-power consumption. For more than 40 years p- and n- type transistors have been designed, scaled and optimized individually in order to achieve equal and therefore compatible electrical performance. For compatibility in circuits the total on-currents, switching slope and magnitude of the threshold voltage have to be equal in p- and n- type transistors. This has been a difficult task, given the different nature of p- and n-type conduction in silicon. For instance, equal on-currents have been achieved by designing the p- transistor significantly wider than the n- transistor. In particular, on-current adjustment in aggressively scaled 3D CMOS transistors where the channel width cannot be freely changed is increasingly difficult.

The universal transistor developed by NaMLab in cooperation with CfAED solves these disparities by merging the characteristics of p- and n-type transistors into a single device with selective electron and hole injection valves. There the ratio between electron and hole injection is mainly tuned by strain incorporation, realized by a 12 nm thin silicon nanowire embedded in a dioxide shell. In the work of André Heinzig and Walter M. Weber appearing today online in the Journal Nano Letters, fully functional silicon nanowire transistors with equal p- and n-type performance and a CMOS circuit built thereof are reported for the first time. In addition, this work shows the first realization of truly complementary reconfigurable circuits enabling the realization of logic functions with fewer transistors, compared to conventional CMOS.

The mentioned publication can be found in the internet at: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl401826u

 

Press enquiries:

NaMLab

Walter Weber

+49 351 2124 99022

walter.weber@namlab.com

 

cfaed

Birgit Holthaus

+49 351 463 41032

birgit.holthaus@tu-dresden.de         

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Deutsche Version

 

Pressemitteilung Nr. 5

  1. August 2013

Weltweit erster universeller Transistor der n- und p-Typ-Verhalten in einem einzigen Bauelement vereint

Cfaed-Partner NaMLab erzielt bedeutenden Durchbruch bei der Entwicklung von rekonfigurierbaren Elektronikschaltungen aus Nanodrähten

Wissenschaftler des cfaed-Partners Nanoelectronic Materials Laboratory (NaMLab gGmbH) haben den weltweit ersten Universaltransistor demonstriert, der gleiches Verhalten für Elektronen- (n) und Löcherleitung (p) aufweist. Die Funktionsweise wurde anhand einer energieeffizienten CMOS-Schaltung entlang eines einzelnen Nanodrahtes nachgewiesen. Ein gezieltes Umschalten der Ladungsträgerart einzelner Transistoren ermöglichte dabei die unterschiedlichen Schaltungsfunktionen. Im Gegensatz zu den gegenwärtig genutzten Transistoren weisen die Universaltransistoren keine Unterschiede in der Materialauswahl, der Herstelltechnologie und der Größe auf, um beide Leitungstypen zu realisieren. Die neue Technologie könnte die CMOS Technologie signifikant verändern, da sie eine komplementäre MOS-Technologie aus einem universellen Transistor ermöglicht.

Die heutige digitale Elektronik besteht zum überwiegenden Teil aus komplementären Schaltungen. In diesen werden n- und p-Typ Transistoren verschalten, um die statische Verlustleistung zu senken. Seit mehr als 40 Jahren werden diese beiden Transistor-Typen individuell so konstruiert, verkleinert und optimiert, dass sie gleiches und damit aneinander angepasstes elektrisches Verhalten aufweisen. Dies stellt angesichts des unterschiedlichen Verhaltens von n- und p-Leitung in Silizium eine große technologische Herausforderung dar. Beispielsweise werden diese Unterschiede durch eine größere Transistorkanalweite von einem p-Transistor im Vergleich zu einem n-Transistor ausgeglichen. Da die Transistorkanalweite bei aggressiv skalierten 3D CMOS Transistoren nicht frei veränderbar ist, wird diese Art der Anpassung zunehmend schwieriger. Der am NaMLab in Kooperation mit dem Excellenzcluster CfAED entwickelte universelle Transistor, vereint die Eigenschaften optimierter p- und n-Typ-Transistoren in einem einzigen Transistor. Die Auswahl zwischen Elektronen- (n-Typ) oder Löcherleitung (p-Typ) jedes einzelnen Transistors erfolgt dabei durch ein elektrisches Ansteuersignal. Das sehr unterschiedliche Verhalten beider Ladungsträgerarten konnte angeglichen werden, indem ein nur 12 nm dicker Silizium Nanodraht durch eine Hülle aus Siliziumdioxid mechanisch verspannt wurde.

In der aktuellen Arbeit von André Heinzig und Walter M. Weber, die heute im Journal Nano Letters online erschienen ist, werden zum ersten Mal voll funktionsfähige Silizium-Nanodrahttransistoren mit gleichem Verhalten für Elektronen- und Löcherleitung gezeigt. Die vorgestellten Ergebnisse demonstrieren so zum ersten Mal vollkomplementäre rekonfigurierbare Schaltungen. Diese ermöglichen die Realisierung von logischen Funktionen mit einer geringeren Anzahl von Transistoren im Vergleich zu konventionellen CMOS Schaltungen.

Die angesprochene Publikation ist im Internet zu finden unter: http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl401826u

 

Weitere Informationen:

NaMLab

Walter Weber

+49 351 2124 99022

walter.weber@namlab.com

 

Birgit Holthaus

+49 351 463 41039

birgit.holthaus@tu-dresden.de

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