Um eine weitere Skalierung von Feldeffekttransistoren (FETs) zu ermöglichen, wurden zweidimensionale (2D) Materialien auf ihre Verwendung als Kanalmaterialien untersucht. Der zentrale Einfluss des Gate-Dielektrikums auf die MOSFET-Leistung hat bisher nicht die erforderliche Aufmerksamkeit erhalten [1]. Ein gutes Dielektrikum hat eine saubere und inerte Grenzfläche, eine große Dielektrizitätskonstante, eine große Bandlücke und sehr wenige elektrisch aktive Defekte. Der schichtweise Aufbau von 2D-Materialien erlaubt beliebige Kombinationen von Halbleitern und Dielektrika, was viele neue Möglichkeiten eröffnet. Kürzlich haben wir sehr vielversprechende Ergebnisse mit Kalziumfluorid (CaF₂) als Gate-Dielektrikum in Kombination mit einem Molybdändisulfid (MoS₂ )-Kanal erzielt [1], siehe Abbildung. Weitere interessante Optionen sind native Isolatoren, die durch die Oxidation von 2D-Halbleitern, wie TaS₂ zu Ta₂O₅, oder HfSe₂ und HfS₂ zu HfO₂ oder Bi₂O₂ Se zu Bi₂SeO₅ , oder Schichtmaterialien wie Glimmer und Perowskite erhalten werden.

© Tibor Grasser

(a) Schematische Darstellung eines Metalloxid-Semiconductor Feldeffekttransistors (MOSFET) mit CaF₂ als Gatedielektrikum und MoS₂ als Kanalmaterial. (b) Hysterese in den Übertragungseigenschaften, gemessen an Bauelementen mit verschiedenen Gatedielektrika. (c) Vergleich der Hysterese für FETs mit verschiedenen Materialkombinationen [1].

Ziele

Wir werden alternative Isolatoren mit CaF₂ vergleichen, wenn sie in 2D-Bauteilen verwendet werden. Wir werden ihre Eigenschaften mit Hilfe von DFT modellieren, um herauszufinden, welche 2D-Halbleiter zu Oxiden mit den besten Eigenschaften führen, z.B. Bandlücke und Permittivität. Die vielversprechendsten Materialien werden in unserem Reinraum oxidiert (Weber), während geschichtete Materialien exfoliert werden (Müller). Anschließend werden diese Isolatoren verwendet, um zunächst FETs mit Back-Gate und dann mit Top-Gate herzustellen (Weber, Müller). Die Oberflächen dieser Isolatoren werden von Diebold und Foelske charakterisiert, während die FETs in unserem Labor elektrisch charakterisiert werden. Schließlich wird die Leistung dieser Bauelemente in Zusammenarbeit mit Libisch elektrisch modelliert und mit Experimenten verglichen. Diese Ergebnisse werden es uns ermöglichen, die optimalen Materialkombinationen für eine bessere Leistung der Bauelemente zu finden.

Methoden

Die Charakterisierung dieser FETs wird über einen breiten Temperaturbereich (4 K bis 500 K) durchgeführt. Die gewonnenen Daten werden dazu beitragen, unsere Modelle für den Stromfluss in den Bauelementen [2] zu verbessern, die erweitert werden, um den trap-unterstützten Gatestrom genau zu beschreiben. Ein Schwerpunkt wird auf der Charakterisierung einzelner Defekte in ultra-skalierten Gatestapeln liegen, indem das zufällige Telegraphenrauschen [3] ausgewertet und zeitabhängige Defektspektroskopie [4] durchgeführt wird. Die Defektcharakterisierung wird genutzt, um Einfang- und Emissionszeitkonstanten zu extrahieren, die mit den mittels DFT berechneten Defekteigenschaften und der Rastertunnelmikroskopie an der Oberfläche der Dielektrika in Beziehung gesetzt werden.

Kollaborationen

Die Gruppe von Müller wird exfolierte FETs herstellen, während die Gruppe von Weber sich auf native Oxide konzentrieren wird. Die Gruppe von Grasser wird sich auf die Charakterisierung und Modellierung von Bauelementen unter Verwendung von Driftdiffusions- und Boltzmann-Transportgleichungscodes konzentrieren. Die Gruppe von Libisch wird vollständig quantenmechanische Transportsimulationen durchführen. Foelske wird Defektprofile der Isolatorfilme mit Hilfe von winkelaufgelöster XPS erstellen, Diebold mit Hilfe von Rastertunnelmikroskopie und Madsen mit Hilfe von DFT.

Betreuer

Die Gruppe von Tibor Grasser beschäftigt sich mit dem Einfluss von Defekten auf die Eigenschaften von nanoelektronischen Bauelementen. Die Zuverlässigkeit und Variabilität von Feldeffekttransistoren (FETs) wird über einen breiten Temperaturbereich (von 4 K bis 650 K) gemessen. Die beobachteten Phänomene werden durch Bauelemente- und Ab-initio-Modellierung mit  atomaren Defekten in Verbindung gebracht. In zahlreichen Studien über FETs in Si, SiC, GaN und 2D-Materialien entwickelte Grasser ein umfangreiches Instrumentarium zur Analyse der vorherrschenden Defekte in FETs, einschließlich Messungen [3,4] und Theorie [5]. Ziel ist es, die Zuverlässigkeit und Variabilität von Bauelementen mit Van-der-Waals-Heterostrukturen zu verbessern.

Website

Gruppe Prof. Grasser, öffnet eine externe URL in einem neuen Fenster

Literatur

1. Y. Y. Illarionov, A. G. Banshchikov, D. K. Polyushkin, S. Wachter, T. Knobloch, M. Thesberg, L. Mennel, M. Paur, M. Stöger-Pollach, A. Steiger-Thirsfeld, M. I. Vexler, M. Waltl, N. S. Sokolov, T. Mueller, and T. Grasser. Ultrathin calcium fluoride insulators for two-dimensional field-effect transistors. Nature Electronics 2, 230–235 (2019). DOI: 10.1038/s41928-019-0256-8.
2. T. Knobloch, G. Rzepa, Y. Y. Illarionov, M. Waltl, F. Schanovsky, B. Stampfer, M. Furchi, T. Mueller, and T. Grasser. A Physical Model for the Hysteresis in MoS 2 Transistors. IEEE Journal of the Electron Devices Society 6, 972–978 (2018). DOI: 10.1109/JEDS.2018.2829933.
3. B. Stampfer, F. Zhang, Y. Y. Illarionov, T. Knobloch, P. Wu, M. Waltl, A. Grill, J. Appenzeller, and T. Grasser. Characterization of single defects in ultrascaled MoS 2 field-effect transistors. ACS Nano 12, 5368–5375 (2018). DOI: 10.1021/acsnano.8b00268.
4. T. Grasser, H. Reisinger, P.-J. Wagner, and B. Kaczer. Time-dependent defect spectroscopy for characterization of border traps in metal-oxide-semiconductor transistors. Physical Review B 82 (2010). DOI: 10.1103/physrevb.82.245318.
5. A. M. El-Sayed, Y. Wimmer, W. Goes, T. Grasser, V. V. Afanas’ev, and A. L. Shluger. Theoretical models of hydrogen-induced defects in amorphous silicon dioxide. Physical Review B -Condensed Matter and Materials Physics 92, 1–11 (2015). DOI: 10.1103/PhysRevB.92.014107.