Energy filtering in nanowire transistors with a geometric superlattice

Arnout Beckers
Energy leakage is nowadays becoming a fundamental problem in the chip’s energy household. Reducing the energy leakage is especially important for chips targeted for low power applications such as future 'internet of everything'- devices. In this thesis we propose a solution on transistor level for the energy leakage in chips.

Energie filteren in toekomstige chips

Het “internet of everything” belooft een toekomst waarin we miljarden chips verwerken in kleding, huishoudtoestellen en verkeerslichten, en deze verbinden met het internet om alledaagse dingen vlotter te doen verlopen. Maar dit toekomstbeeld staat haaks op de verhouding die we vandaag hebben met onze elektronische gadgets, zoals smartphones die te snel leeglopen en oververhitten. Dit vraagt om een nieuwe chiptechnologie die zuiniger omspringt met de beperkte energievoorraad van de batterij. Energiezuinigere chips zijn niet alleen goed voor u, omdat uw smartphone-batterij dan langer meegaat, maar ook voor moeder aarde, omdat ze het toekomstige energieverbruik in de wereld drastisch kunnen verlagen.

Apple CEO Tim Cook is ervan overtuigd dat in de toekomst iedereen op deze aardbol een smartphone in zijn of haar broekzak zal hebben zitten. Dit zijn naar schatting meer dan 8 miljard smartphones, elk voorzien van een chip. Als we daar de chips bijtellen die nodig zijn om een internet of everything uit de grond te stampen, zitten we aan een enorme hoeveelheid chips. Deze chips zullen we bijkomend moeten produceren, hoewel de chipfabrieken vandaag 24u op 7 draaien om aan de vraag naar chips te voldoen. Om de productie van chips op te krikken, kunnen we meer chipfabrieken neerpoten, of beter, de chips kleiner maken zodat meer chips tegelijk de productielijn in een bestaande chipfabriek kunnen doorlopen.

Naast het verkleinen van de chips is er nog een andere uitdaging bij een grootschalige uitrol van het internet of everything: de bezorgdheid om onze privacy. Door het verkleinen van de chips verhuist veel van de rekenkracht van de chip naar de cloud en behoudt de chip enkel haar functie om informatie te verzamelen en door te sturen. Ook gevoelige informatie komt in de cloud terecht. Een mogelijke manier om dit privacy probleem aan te pakken, is om de gevoelige informatie eerst in de chip zelf te verwerken en pas daarna naar de cloud te sturen. Maar dit betekent meer rekenwerk voor de chip en als gevolg een sneller slinkende batterij. Een internet of everything dat rekening houdt met onze privacy, vraagt dus om kleinere chips die daarenboven energiezuiniger zijn.

Intelligent T-shirt

Energiezuinigere chips zijn een echte noodzaak voor het internet of everything. Neem nu het voorbeeld van een toekomstig T-shirt dat via een chip met het internet is verbonden. Naast de chip zit een kleine batterij met een beperkte energievoorraad. De batterij kan opgeladen worden door energie te ‘oogsten’ uit de omgeving, bijvoorbeeld via de wrijving tussen het T-shirt en de huid tijdens het bewegen. Dit is echter een wispelturige energiebron: de energiebevoorrading kan schommelen als je voor langere tijd stilstaat of plots begint te bewegen. Daarom moeten de chips energiezuinig zijn, zodat ze niet stilvallen op het ogenblik dat de energiebevoorrading op een laag pitje staat. De chip kan ook beschikken over enkele sensoren, zoals een vochtigheidssensor om een zweetsignaal te detecteren of een kleursensor om de hartslag op te meten wanneer de huid afwisselend lichtjes rood kleurt tijdens de hartslag. Als de chip niet energiezuinig is, zal ze op de huid warmlopen en de sensormetingen beïnvloeden.

Chips

Hoe maak je een kleinere en energiezuinigere chip? Chips bestaan uit drie onderdelen: de metaalverbindingen, het isolatiemateriaal en de silicium-schakelaars. Silicium is afkomstig van zand en wordt voor de productie van chips in uiterst pure vorm klaargemaakt. In één chip zitten rond de 2 miljard schakelaars die openen en sluiten op basis van signalen die binnenkomen via de metaalverbindingen. De schakelaars in huidige chips bestaan uit een vlakke poort en een vlak kanaal. De poort is het deel van de schakelaar waar het signaal toekomt. Een signaal op de poort zorgt dat er een stroom van elektronen kan lopen door het kanaal. Bijvoorbeeld, als een zweetsignaal toekomt op de poort, vloeit er een stroom door het kanaal. Als het zweetsignaal en het hartslagsignaal aangesloten zijn op twee schakelaars, zal er enkel een stroom lopen als beide schakelaars dit toelaten. Dit maakt het mogelijk om bijvoorbeeld een notificatie te sturen als de persoon zweet én een verhoogde hartslag heeft.

Lekstroom

Overal waar stroom loopt in de chip wordt energie verbruikt. Het probleem met vlakke schakelaars is dat ze een te grote lekstroom hebben, wat zorgt voor onnodig energieverlies. Lekstroom is de stroom die tóch kan lopen door een schakelaar, ook als er geen signaal toekomt op de poort. Dit vormt een groot probleem in chips bestemd voor het internet of everything. De chip in het intelligent T-shirt bijvoorbeeld, zal voor langere tijd verbonden moeten blijven met het internet, wachtend op een signaal van een druppeltje zweet of een verhoogde hartslag. De hoogenergetische elektronen aan de ingang van de schakelaar zijn de boosdoeners van de lekstroom, en we gaan ze aanpakken door energiefilters in te bouwen in een nieuw type schakelaar, de nanodraad-schakelaar, die minder plaats inneemt op de chip. 

Energie filteren

Onderzoek naar nanodraad-schakelaars kan niet zonder de theorie van de kwantummechanica, omdat de nanodraad in doorsnede slechts enkele tientallen atomen telt. Kwantummechanica vereist het oplossen van de Schrödingervergelijking, waaruit de toegelaten energieën van de elektronen in de nanodraad volgen. Als we de Schrödingervergelijking oplossen voor een kanaal met een periodische geometrie, zoals bijvoorbeeld met vernauwingen, vinden we energiebanden die verboden zijn in het kanaal. Via het ontwerp van het kanaal kunnen we variëren welke energiebanden toegankelijk zijn voor de elektronen in het kanaal en welke niet. Daarom spreken we van een energiefilter. De juiste energiefilter kan de hoogenergetische elektronen blokkeren en zo de lekstroom verlagen.

Het eerste onderzoek op basis van computersimulaties toont aan dat nanodraad-schakelaars met energiefilters inderdaad energie kunnen besparen. Experimentele onderzoekers bekijken momenteel of we de nanodraden met energiefilters kunnen maken, liefst aan een zo laag mogelijke kost, want goedkope en energiezuinige chips zullen in een internet of everything-samenleving geen overbodige luxe zijn. En als het internet of everything er toch niet zou komen, laten we dan de energiezuinige chips gebruiken in onze smartphones, om bijvoorbeeld met z’n allen Pokémon Go te gaan spelen, maar dan zonder extra batterij op zak.

Bibliografie
  1. Validity of effective mass theory for energy levels in Si quantum wires. Physica B: Condensed Matter, 227(1-4):336–338, 1996. Proceedings of the Third International Symposium on New Phenomena in Mesoscopic Structures.
  2. Arm acquires sensinode to accelerate the internet of things and support 30 billion connected devices by 2020. Economics-Business Week, page 195, Sep 14 2013.
  3. Intel discloses newest microarchitecture and 14 nanometer manufacturing process technical details, Aug 11 2014. Journal Business Wire 2014; Last updated -2014-08-11.
  4. N. Abele, R. Fritschi, K. Boucart, F. Casset, P. Ancey, and A. M. Ionescu. Suspended-gate mosfet: bringing new mems functionality into solid-state MOS-transistor. In IEEE InternationalElectron Devices Meeting, 2005. IEDM Technical Digest., pages 479–481, Dec 2005. 
  5. J. Ahrens, B. Geveci, and C. Law. Paraview: An end-user tool for large data visualization. 2005.
  6. H. R. Aliabad, H. Akbari, and M. Saeed. Evaluation of magneto-optic properties of new superconductors by {DFT}. Computational Materials Science, 106:5 –14, 2015.
  7. M. Alnaes, J. Blechta, J. Hake, A. Johansson, B. Kehlet, A. Logg, C. Richardson, J. Ring, M. Rognes, and G. Wells. The fenics project version 1.5. Archive of Numerical Software, 3(100), 2015. 
  8. F. Alted, I. Vilata, et al. PyTables: Hierarchical datasets in Python, 2002.Open-source software.
  9. M. Bjoerk, S. Karg, J. Knoch, H. Riel, W. Riess, and H. Schmid. Metal-oxidesemiconductor device including a multiple-layer energy filter, 2012. US Patent 8,129,763. 
  10. Christophe Geuzaine and Jean-Francois Remacle. Gmsh, a three-dimensional finite element mesh generator with built-in pre- and post-processing facilities. http://gmsh.info/, 2016. Open-source software.
  11. M. V. de Put. Band-to-band tunneling in III-V semiconductor heterostructures. In EUROCON, 2013 IEEE, pages 2134–2139, July 2013. 
  12. E. Gnani, A. Gnudi, S. Reggiani, and G. Baccarani. Steep-slope nanowire field-effect transistor. In 2010 International Conference on Simulation of Semiconductor Processes and Devices, pages 69–72, Sept 2010. 
  13. E. Gnani, A. Gnudi, S. Reggiani, and G. Baccarani. Theory of the junctionless nanowire FET. IEEE Transactions on Electron Devices, 58(9):2903–2910, Sept. 2011.
  14. E. Gnani, P. Maiorano, S. Reggiani, A. Gnudi, and G. Baccarani. An investigation on steep-slope and low-power nanowire FETs. In 2011 Proceedings of the European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC), pages 299–302,Sept 2011.
  15. E. Gnani, P. Maiorano, S. Reggiani, A. Gnudi, and G. Baccarani. Performance limits of superlattice-based steep-slope nanowire FETs. In Electron Devices Meeting (IEDM), 2011 IEEE International, pages 5.1.1–5.1.4, Dec 2011.
  16. E. Gnani, S. Reggiani, A. Gnudi, and G. Baccarani. Steep-slope nanowireFET with a superlattice in the source extension. In 2010 Proceedings of the European Solid State Device Research Conference, pages 380–383, Sept 2010.
  17. E. Gnani, S. Reggiani, A. Gnudi, and G. Baccarani. Superlattice-based steep slope switch. In Solid-State and Integrated Circuit Technology (ICSICT), 2010 10th IEEE International Conference on, pages 1227–1230, Nov 2010. 
  18. K. Gopalakrishnan, P. B. Griffin, and J. D. Plummer. I-MOS: a novel semiconductor device with a subthreshold slope lower than kT/q. In Electron Devices Meeting, 2002. IEDM ’02. International, pages 289–292, Dec 2002. 
  19. P. Hohenberg and W. Kohn. Inhomogeneous electron gas. Phys. Rev., 136:B864–B871, Nov 1964. 
  20. IMEC magazine, April 2016 issue, Bart Preneel. Security and privacy: a must for the Internet of Things. http://magazine.imec.be/data/90/reader/reader.html?t=1463009424589#!pre…, 2016. Online; accessed 20 April 2016.
  21. International Technology Roadmap for Semiconductors. ITRS Report. http://www.itrs2.net/, 2016. Online; accessed 6 May 2016.
  22. A. M. Ionescu and H. Riel. Tunnel field-effect transistors as energy-efficient electronic switches. Nature, 479(7373):329–37, Nov 17 2011.
  23. S. M. R. Islam, D. Kwak, M. H. Kabir, M. Hossain, and K. S. Kwak. The Internet of Things for healthcare: A comprehensive survey. IEEE Access, 3:678–708,2015.
  24. F. Jammes. Internet of Things in energy efficiency: The Internet of Things (ubiquity symposium). Ubiquity, 2016(February):2:1–2:8, Feb. 2016.
  25. H. Kam, D. T. Lee, R. T. Howe, and T.-J. King. A new nano-electro-mechanical field effect transistor (NEMFET) design for low-power electronics. In IEEE International Electron Devices Meeting, 2005. IEDM Technical Digest., pages 463–466,Dec 2005.
  26. N. S. Kim, T. Austin, D. Blaauw, T. Mudge, K. Flautner, J. S. Hu, M. J. Irwin, M. Kandemir, and V. Narayanan. Leakage current: Moore’s law meets static power. Computer, 36(12):68–75, 2003. 
  27. C. S. Lent and D. J. Kirkner. The quantum transmitting boundary method. Journal of Applied Physics, 67(10):6353–6359, 1990. 
  28. A. Logg, K.-A. Mardal, and G. Wells. Automated Solution of Differential Equations by the Finite Element Method: The FEniCS Book. Springer Publishing Company, Incorporated, 2012.
  29. C. lozzio. Power to the Internet of Things. Scientific American, 311(6):30, 2014.
  30. F. M. Asadzadeh. A finite element crash course, 2004. Online accessed: 6 Sept. 2015.
  31. V. R. Manfrinato, L. Zhang, D. Su, H. Duan, R. G. Hobbs, E. A. Stach, and K. K. Berggren. Resolution limits of electron-beam lithography toward the atomic scale. Nano Letters, 13(4):1555–1558, 2013. PMID: 23488936. 
  32. J. S. Naoya Morioka, Hironori Yoshioka and T. Kimoto. Quantum-confinement effect on holes in silicon nanowires: Relationship between wave function and band structure. Journal of Applied Physics, 2011(109), 2011.
  33. T. K. P. Vogl. The non-equilibrium green’s function method: an introduction. http://www.wsi.tum.de/Portals/0/Media/Publications/047559a5-94fa-4aa7-9…. Accessed 9 May 2016. 
  34. A.-T. Pham, B. Sorée, W. Magnus, C. Jungemann, B. Meinerzhagen, and G. Pourtois. Quantum simulations of electrostatics in Si cylindrical junctionless nanowire nFETs and pFETs with a homogeneous channel including strain and arbitrary crystallographic orientations. Solid-State Electronics, 71:30 – 36, 2012. Selected Papers from the {ULIS} 2011 Conference. 
  35. E. Polizzi and N. B. Abdallah. Subband decomposition approach for the simulation of quantum electron transport in nanostructures. Journal of Computational Physics, 202(1):150 – 180, 2005. 
  36. J. Quinn, G. Kawamoto, and B. McCombe. Subband spectroscopy by surface channel tunneling. Surface Science, 73:190 – 196, 1978. 
  37. G. Rossum. Python reference manual. Technical report, Amsterdam, The Netherlands, 1995. 
  38. A. K. S. E. Laux and M. V. Fischetti. Analysis of quantum ballistic electron transport in ultrasmall silicon devices including space-charge and geometric effects. Journal of Applied Physics, 2004(95), 2004. 
  39. S. Salahuddin, , and S. Datta. Use of negative capacitance to provide voltage amplification for low power nanoscale devices. Nano Letters, 8(2):405–410, 2008. PMID: 18052402.
  40. S. Sarmah, A. K. Guha, and A. K. Phukan. Donor-acceptor complexes of normal and abnormal n-heterocyclic carbenes with group 13 (B, Al, Ga) elements: A combined DFT and atoms-in-molecules study. European Journal of Inorganic Chemistry, 2013(18):3233–3239, 2013. 
  41. The HDF Group. Hierarchical Data Format, version 5, 1995. Open-source software. 
  42. The Statistics Portal, Ed. Statista Ltd London. Global semiconductor sales from January 2012 to February 2016. http://www.statista.com/statistics/277404/global-semiconductor-sales-by…, 2016. Online; accessed 6 May 2016. 
  43. C. Thelander, P. Agarwal, S. Brongersma, J. Eymery, L. Feiner, A. Forchel, M. Scheffler, W. Riess, B. Ohlsson, U. Gosele, and L. Samuelson. Nanowire-based one-dimensional electronics. Materials Today, 9(10):28 – 35, 2006.
  44. C. Verdouw, J. Wolfert, A. Beulens, and A. Rialland. Virtualization of food supply chains with the Internet of Things. Journal of Food Engineering, 176:128 – 136, 2016. 
  45. A. S. Verhulst, B. Sorée, D. Leonelli, W. G. Vandenberghe, and G. Groeseneken. Modeling the single-gate, double-gate, and gate-all-around tunnel field-effect transistor. Journal of Applied Physics, 107(2), 2010. 
  46. D. Verreck, A. S. Verhulst, M. Van de Put, B. Sorée, W. Magnus, A. Mocuta, N. Collaert, A. Thean, and G. Groeseneken. Full-zone spectral envelope function formalism for the optimization of line and point tunnel field-effect transistors. Journal of Applied Physics, 118(13), 2015. 
  47. A. M. Walke, A. S. Verhulst, A. Vandooren, D. Verreck, E. Simoen, V. R. Rao, G. Groeseneken, N. Collaert, and A. V. Y. Thean. Part I: Impact of field-induced quantum confinement on the subthreshold swing behavior of line TFETs. IEEE Transactions on Electron Devices, 60(12):4057–4064, Dec 2013. 
  48. V. William. Quantum transport in tunnel field-effect transistors for future nano-CMOS applications. PhD thesis, KU Leuven, 2012.
  49. L. Xiao and Z. Wang. Internet of Things: a new application for intelligent traffic monitoring system. Journal of Networks, 6(6), 2011.
  50. X. Zhao et al. Superlattice-source nanowire FET with steep Subthreshold characteristics. PhD thesis, Massachusetts Institute of Technology, 2012.
  51. D. Zwillinger. Handbook of Differential Equations. Academic Press, 1989.
Universiteit of Hogeschool
Master in Engineering science: nanoscience, nanotechnology and nanoengineering
Publicatiejaar
2016
Promotor(en)
Bart Sorée
Kernwoorden
Share this on: