2D-materialen verbeteren de prestaties van p-type transistors en maken de weg vrij voor toekomstige technologie

Na tientallen jaren de elektronica-industrie te hebben gedomineerd, naderen conventionele op silicium gebaseerde transistors geleidelijk hun grenzen, wat ingenieurs ervan weerhoudt hun omvang verder te verkleinen zonder hun prestaties te beïnvloeden. Om draagbare computers, smartphones en andere apparaten verder te ontwikkelen, hebben onderzoekers het potentieel van transistors op basis van tweedimensionale (2D) materialen onderzocht.

Onderzoekers van Penn State University (PSU) onder leiding van Dr. Saptarshi Das, Ackley hoogleraar Engineering Science and Mechanics, hebben hoogwaardige p-type veldeffecttransistors (FET’s) ontwikkeld op basis van 2D-materialen. Deze transistors, geïntroduceerd in een artikel gepubliceerd in Natuurelektronicazijn gemaakt via een fabricagestrategie die gebruik maakt van de doping- en diktecontrole van twee 2D-materialen, namelijk molybdeendiselenide (MoSe₂) en wolfraamdiselenide (WSe₂).

“Om de beperkingen van op silicium gebaseerde halfgeleiders te overwinnen en de vooruitgang te ondersteunen, moet de industrie overstappen op alternatieve, duurzame halfgeleiders”, vertelde Mayukh Das, eerste auteur van het artikel, aan Phys.org. “Een veelbelovende kandidaat zijn 2D-transitiemetaalchalcogeniden (TMD’s), die het potentieel bieden voor het bereiken van een hoge rekenefficiëntie met behoud van een laag energieverbruik.”

Silicium heeft zeer afstembare eigenschappen, die bijzonder voordelig zijn voor de ontwikkeling van elektronica. Door onzuiverheden te introduceren, een proces dat bekend staat als doping, kunnen op silicium gebaseerde transistors elektronendeficiënt (p-type) of elektronenrijk (n-type) worden gemaakt, waardoor complementaire logische circuits kunnen worden gecreëerd.

“Metaaloxide-halfgeleider veldeffecttransistors (MOSFET’s) vormen de ruggengraat van moderne computers door middel van complementaire metaaloxide-halfgeleidertechnologie (CMOS), ” zei Das.

“Het repliceren van CMOS-logica met behulp van 2D TMD’s vormt echter een aanzienlijke uitdaging: de afwezigheid van goede p-type 2D MOSFET vergelijkbaar met hun n-type tegenhangers. In tegenstelling tot silicium, dat chemisch kan worden aangepast door middel van doping, vertonen 2D TMD’s inherent ofwel n-type of p-type kenmerken in hun oorspronkelijke vorm dankzij het vastzetten van metalen Fermi-niveau nabij de rand van de geleidings- of volantband.

Hoewel ingenieurs verschillende hoog presterende n-type transistors hebben ontwikkeld op basis van 2D TMD’s, hebben p-type transistors op basis van deze materialen nog geen vergelijkbare prestaties behaald. Deze discrepantie in prestaties heeft tot nu toe het grootschalige gebruik van deze transistoren voor de ontwikkeling van micro-elektronische apparaten belemmerd.

“Het aanpakken van deze uitdaging is van cruciaal belang om de overgang van silicium naar 2D TMD’s mogelijk te maken, en tegemoet te komen aan de vraag naar energiezuinige, krachtige berekeningen in een tijdperk dat steeds meer wordt aangedreven door kunstmatige intelligentie (AI)”, aldus Das.

“Deze dringende behoefte motiveerde ons onderzoek. In plaats van te wachten op de ontdekking van een goed presterende p-type 2D TMD, volgden we een praktische ontwerpstrategie door substitutionele doping toe te passen – een beproefde methode om de elektrische prestaties te verbeteren.”

Het team paste op doping gebaseerde ontwerpstrategieën aan en paste deze toe op de fabricage van p-type FET’s op basis van 2D-materialen. Om de prestaties van hun p-type FET’s te verbeteren, hebben de onderzoekers een parameter verlaagd die bekend staat als de contactweerstand (R_C), waarvan bekend is dat het de stroom in de transistors verslechtert terwijl deze in de AAN-status staan.

“Een strategie van gedegenereerde substitutionele doping, selectief nabij de contacten, is algemeen geïmplementeerd in Si-gebaseerde transistors om de R-waarde te verminderen_C”, legde Das uit.

“Het relatief ongedoteerde of minder gedoteerde lichaam van het Si-apparaat hielp bij het bereiken van een goede elektrostatische controle, dat wil zeggen een goede AAN/UIT-verhouding. De methode om bepaalde gebieden in het transistorkanaal ruimtelijk te doteren is echter alleen mogelijk in bulk-Si-apparaten.”

Het ruimtelijk doteren van sommige kanaalgebieden in transistors op basis van TMD’s is een uitdaging. In vergelijking met silicium bestaan ​​deze materialen uit gestapelde lagen atomen. Om hun transistors te maken, probeerden de onderzoekers eerst een nieuwe strategie te bedenken waarmee ze dit konden doen.

“In onze krachtige p-type MOSFET’s (Metal-oxide-semiconductor FET’s) omzeilen we deze uitdagingen met behulp van een uniform gedoteerd 2D TMD-kanaal (Nb-gedoteerde MoSe₂ kristal) en door de doteringseffectiviteit ervan af te stemmen nabij de kanaalcontactinterfaces in vergelijking met het middenkanaalgebied, “zei Das.

“De hoge effectieve dotering nabij de contacten maakt een gemakkelijke dragerinjectie in het kanaal mogelijk, wat resulteert in een hoge AAN-stroom in de transistor, terwijl de minder effectieve dotering tussen de contacten een goede elektrostatische controle in het 2D MOSFET-apparaat handhaaft.”

Als gevolg van hun onderliggende ontwerp hebben de door de onderzoekers gefabriceerde MOSFET’s een hoge AAN-stroom en kunnen ze ook gemakkelijk AAN en UIT worden geschakeld. Het kanaal in de transistors is gemaakt van meerlaags Nb-gedoteerd MoSe₂een 2D halfgeleidende TMD.

“Meerlaagse TMD’s verschillen op unieke wijze van hun bulkvorm in die zin dat er geen echte chemische bindingen (buiten het vlak) zijn tussen twee aangrenzende atomaire lagen”, aldus Das. “In plaats daarvan worden twee aangrenzende lagen bij elkaar gehouden door zwakke van der Waals-krachten, waardoor meerdere monolaagfilms naadloos op elkaar kunnen worden gestapeld.”

Om hun nieuwe ontwerpstrategie te implementeren, maakten de onderzoekers gebruik van een fenomeen dat bekend staat als kwantumopsluiting. Dit effect vermindert doorgaans de werkzaamheid van doteerstoffen in meerlaagse TMD’s met weinig gestapelde atomaire lagen (dwz 1–3), vergeleken met hetzelfde materiaal met meer gestapelde lagen (dwz 4–6).

“Dit fenomeen werd onderbouwd door simulatie van de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) van MoSe₂ energiebandstructuur wanneer het gedegenereerd is gedoteerd met p-type doteringsmiddel Nb, “zei Das.

“Gebaseerd op het inzicht uit deze simulaties, hebben we ons unieke MOSFET-ontwerp voorgesteld met dikke (4-6 lagen) kanaalgebieden onder de contacten voor verminderde contactweerstand en dunne (1-3 lagen) kanaalgebieden tussen de source- en drain-contacten voor een verminderd dopingeffect.”

De aanpak die door dit team van onderzoekers wordt gebruikt, vermindert niet alleen de R_C maar versterkt ook de elektrostatische poortcontrole van hun transistors, wat zich vertaalt in de waargenomen goede AAN/UIT- en hoge AAN-stromen. De Nb-gedoteerde MoSe₂ lagen in hun transistors werden gegroeid via een bekende methode voor chemisch damptransport (CVT), die werd ontwikkeld door de teammedewerker Dr. Sofar Zdenek aan de Universiteit voor Scheikunde en Technologie in Praag.

“Om deze apparaten te fabriceren, hebben we dikke kristallen (4-6 lagen) van deze Nb-gedoteerde MoSe geëxfolieerd₂ op een backgate-substraat met 50 nm Al₂O₃ als het diëlektricum”, zei Das.

“Nadat we de contacten hadden gedefinieerd met behulp van e-beam-lithografie, hebben we Pd-contactmetaal afgezet op de gedoteerde MoSe₂ door E-straalverdamping om de apparaten te vormen. De apparaten werden vervolgens blootgesteld aan een milde zuurstofplasmabehandeling om de bovenste MoSe te oxideren₂ laag naar MoO_X-een oxide van Mo dat oplosbaar is in water.”

Het gebied onder de contacten in de transistors was beschermd tegen de plasmabehandeling en raakte dus niet geoxideerd. De onderzoekers spoelden vervolgens het resterende MoO weg_X in hun apparaat door het in gedeïoniseerd water te spoelen.

“Deze stap van zuurstofplasmabehandeling gevolgd door DI-water werd verschillende keren herhaald om het middenkanaalgebied te verdunnen en onze voorgestelde MOSFET-structuur te bereiken”, legt Das uit. “Merk op dat elke zuurstofplasmabehandelingsstap selectief slechts één atomaire laag van het TMD-kanaal verwijderde. Met behulp van deze strategie konden we een aan-stroom van 85 µA/um bereiken met een AAN/UIT-verhouding van 10⁴.”

Het team combineerde de nieuwe ontwerpstrategie die ze ontwikkelden met bekende methoden om de prestaties van de apparaten te verbeteren. Ze hebben bijvoorbeeld de kanalen geschaald in de gecombineerde dual-gate-geometrie en werkfunctie-engineering van de transistor. Hierdoor konden ze een nog hogere AAN-stroom van 212 µA/um bereiken, wat een van de grootste gerapporteerde aantallen is voor 2D p-type FET’s.

“Dit omvatte het fabriceren van een 50 nm geschaald kanaalapparaat op een 25 nm Al₂O₃ backgate-oxide gevolgd door zuurstofplasmabehandelingen om ons ontwerp van dikkere contactgebieden en dunnere middenkanaalgebieden te implementeren, “zei Das.

“Verdere fabricagestappen waarbij ALD-afzetting van 20 nm Al plaatsvindt₂O₃ als een diëlektricum aan de bovenste poort en E-bundelverdamping van Ni om de bovenste poortcontacten te vormen. Het top-gate-contactmetaal Ni en het back-gate-contactmetaal Pt werden gekozen vanwege hun hoge werkfunctie.

Wanneer toegepast op 2D TMD’s, overwint de nieuwe dopingstrategie die door dit team van onderzoekers wordt gebruikt de beperkingen van eerder geïntroduceerde en gevestigde dopingmethoden. Uiteindelijk maakt het een goede dragerinjectie en een grotere elektrostatische controle over de materialen mogelijk.

“Een uniek aspect van onze ontwerpstrategie is dat dit kan worden geïmplementeerd om zowel hoog presterende n-FET’s als niet alleen p-FET’s te fabriceren”, zegt Dipanjan Sen, co-eerste auteur van het artikel.

“Alleen al het wisselen van het p-type doteermiddel Nb met een n-type doteermiddelatoom in dezelfde apparaatarchitectuur zal resulteren in een krachtige n-type MOSFET. Het fabricageproces, inclusief de stap van zuurstofplasmareductie in het middenkanaal, is eenvoudig en heeft voldoende voordelen bij het realiseren van demonstraties op circuitniveau van complementaire n- en p-type MOSFET’s.”

Het door het team geïntroduceerde transistorontwerp en de dopingstrategie zouden kunnen bijdragen aan de ontwikkeling van snellere en energiezuinigere elektronische circuits op basis van 2D-halfgeleiders. De p-type MOSFET’s die met hun aanpak zijn gemaakt, hebben al een opmerkelijke AAN-stroomwaarde van 212 µA/um bereikt bij een AAN/UIT-verhouding van 10⁴die in de toekomst nog verder verbeterd kunnen worden.

“Ons werk bevestigt ook het belang van het beschouwen van meerlaagse 2D TMD-films als kanaalmateriaal voor toekomstige op 2D-materiaal gebaseerde elektronica als tegenalternatief voor monolaagse TMD-materialen”, aldus senator.

“In de toekomst zou het ook meer onderzoek naar de groei van gedoteerde 2D TMD-films met groot oppervlak kunnen aanmoedigen door geavanceerde groeimethoden zoals chemische dampdepositie (CVD) en metaalorganische chemische dampdepositie (MOCVD).”

In hun volgende onderzoeken plannen de onderzoekers ook een verdere verbetering van de schaalbaarheid van hun transistors. Ze zouden bijvoorbeeld CVD-gekweekte, meerlaagse 2D TMD-materialen met een groot oppervlak kunnen gebruiken, in tegenstelling tot geëxfolieerde vlokken.

“Deze toekomstige inspanningen zouden ons helpen circuits te maken met behulp van deze p-type MOSFET’s”, voegde Das eraan toe.

“Er is een uitdaging in de mate van de opname van doteermiddelen in het 2D TMD-rooster tijdens CVD-groei op grote oppervlakken, wat substantiële optimalisatie vereist. Andere uitdagingen zoals drempel-engineering en variatie van apparaat tot apparaat nodigen uit tot substantiële inspanningen van apparaatonderzoek. Het minimaliseren van de variatie van apparaat tot apparaat kan helpen ook bij het realiseren van demonstraties van logische circuits met behulp van deze transistors.”