2D-Materialien steigern die Leistung von p-Typ-Transistoren und ebnen den Weg für zukünftige Technologien

Nachdem herkömmliche Transistoren auf Siliziumbasis jahrzehntelang die Elektronikindustrie dominiert haben, stoßen sie allmählich an ihre Grenzen, was Ingenieure davon abhält, ihre Größe weiter zu reduzieren, ohne ihre Leistung zu beeinträchtigen. Um tragbare Computer, Smartphones und andere Geräte weiter voranzutreiben, erforschen Forscher daher das Potenzial von Transistoren, die auf zweidimensionalen (2D) Materialien basieren.

Forscher der Penn State University (PSU) unter der Leitung von Dr. Saptarshi Das, Ackley-Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik, haben leistungsstarke p-Typ-Feldeffekttransistoren (FETs) auf Basis von 2D-Materialien entwickelt. Diese Transistoren, vorgestellt in einem Artikel veröffentlicht In Naturelektronikwurden mithilfe einer Herstellungsstrategie hergestellt, die die Dotierung und Dickenkontrolle von zwei 2D-Materialien nutzt, nämlich Molybdändiselenid (MoSe2) und Wolframdiselenid (WSe2).

„Um die Einschränkungen siliziumbasierter Halbleiter zu überwinden und den Fortschritt aufrechtzuerhalten, muss die Industrie auf alternative, nachhaltige Halbleiter umsteigen“, sagte Mayukh Das, Erstautor des Papiers, gegenüber Phys.org. „Ein vielversprechender Kandidat sind 2D-Übergangsmetallchalkogenide (TMDs), die das Potenzial für eine hohe Recheneffizienz bei gleichzeitig niedrigem Energieverbrauch bieten.“

Silizium verfügt über hochgradig einstellbare Eigenschaften, die besonders für die Entwicklung der Elektronik von Vorteil sind. Durch das Einbringen von Verunreinigungen, einem als Dotierung bezeichneten Prozess, können Transistoren auf Siliziumbasis elektronenarm (p-Typ) oder elektronenreich (n-Typ) gemacht werden, was die Erstellung komplementärer Logikschaltungen ermöglicht.

„Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFETs) bilden durch die komplementäre Metalloxid-Halbleiter-Technologie (CMOS) das Rückgrat moderner Computer“, sagte Das.

„Die Nachbildung der CMOS-Logik mithilfe von 2D-TMDs stellt jedoch eine erhebliche Herausforderung dar: Das Fehlen guter 2D-MOSFETs vom p-Typ, die mit ihren Gegenstücken vom n-Typ vergleichbar sind. Im Gegensatz zu Silizium, das durch Dotierung chemisch angepasst werden kann, weisen 2D-TMDs von Natur aus beide n-Typen auf.“ oder p-Typ-Eigenschaften in ihrer ursprünglichen Form aufgrund der Fixierung des Metall-Fermi-Niveaus in der Nähe der Leitungs- oder Valenzbandkante.“

Obwohl Ingenieure verschiedene leistungsstarke n-Typ-Transistoren auf Basis von 2D-TMDs entwickelt haben, haben p-Typ-Transistoren auf Basis dieser Materialien noch keine vergleichbaren Leistungen erreicht. Diese Leistungsdiskrepanz hat bisher den großtechnischen Einsatz dieser Transistoren für die Entwicklung mikroelektronischer Geräte behindert.

„Die Bewältigung dieser Herausforderung ist von entscheidender Bedeutung, um den Übergang von Silizium zu 2D-TMDs zu ermöglichen und den Bedarf an energieeffizienter Hochleistungsberechnung in einem Zeitalter zu decken, das zunehmend von künstlicher Intelligenz (KI) bestimmt wird“, sagte Das.

„Dieser dringende Bedarf motivierte unsere Forschung. Anstatt auf die Entdeckung eines leistungsstarken 2D-TMD vom p-Typ zu warten, verfolgten wir eine praktische Designstrategie, indem wir Substitutionsdotierung einsetzten – eine bewährte Methode zur Verbesserung der elektrischen Leistung.“

Das Team passte dotierbasierte Designstrategien an und wandte sie auf die Herstellung von p-Typ-FETs auf Basis von 2D-Materialien an. Um die Leistung ihrer p-Typ-FETs zu steigern, reduzierten die Forscher einen Parameter namens Kontaktwiderstand (RC), der bekanntermaßen den Strom in den Transistoren verringert, während diese sich im EIN-Zustand befinden.

„Eine Strategie der degenerierten Substitutionsdotierung selektiv in der Nähe der Kontakte wurde häufig in Si-basierten Transistoren implementiert, um RC zu reduzieren“, erklärte Das.

„Der vergleichsweise undotierte oder weniger dotierte Körper des Si-Bauelements trug dazu bei, eine gute elektrostatische Kontrolle, d.

Die räumliche Dotierung einiger Kanalbereiche in Transistoren auf Basis von TMDs ist eine Herausforderung. Im Vergleich zu Silizium bestehen diese Materialien aus gestapelten Atomschichten. Um ihre Transistoren herzustellen, versuchten die Forscher zunächst, eine neue Strategie zu entwickeln, die ihnen dies ermöglichen würde.

„In unseren Hochleistungs-MOSFETs vom p-Typ (Metalloxid-Halbleiter-FETs) umgehen wir diese Herausforderungen, indem wir einen gleichmäßig dotierten 2D-TMD-Kanal (Nb-dotierter MoSe2-Kristall) verwenden und dessen Dotierungseffizienz in der Nähe der Kanal-Kontakt-Grenzflächen optimieren im Vergleich zur Mittelkanalregion“, sagte Das.

„Die hohe effektive Dotierung in der Nähe der Kontakte ermöglicht eine einfache Ladungsträgerinjektion in den Kanal, was zu einem hohen Einschaltstrom im Transistor führt, während die weniger effektive Dotierung zwischen den Kontakten eine gute elektrostatische Kontrolle im 2D-MOSFET-Gerät aufrechterhält.“

Aufgrund ihres zugrunde liegenden Designs verfügen die von den Forschern hergestellten MOSFETs über einen hohen Einschaltstrom und können zudem problemlos ein- und ausgeschaltet werden. Der Kanal in den Transistoren besteht aus mehrschichtigem Nb-dotiertem MoSe2, einem 2D-Halbleiter-TMD.

„Mehrschichtige TMDs unterscheiden sich von ihrer Massenform dadurch, dass es keine echten chemischen Bindungen (außerhalb der Ebene) zwischen zwei benachbarten Atomschichten gibt“, sagte Das. „Stattdessen werden zwei benachbarte Schichten durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten, was ein nahtloses Stapeln mehrerer Monoschichtfolien übereinander ermöglicht.“

Um ihre neue Designstrategie umzusetzen, nutzten die Forscher ein Phänomen, das als Quantenbeschränkung bekannt ist. Dieser Effekt verringert typischerweise die Wirksamkeit von Dotierstoffen in mehrschichtigen TMDs mit wenigen gestapelten Atomschichten (d. h. 1–3) im Vergleich zu demselben Material mit mehr gestapelten Schichten (d. h. 4–6).

„Dieses Phänomen wurde durch eine Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Simulation der MoSe2-Energiebandstruktur untermauert, wenn es mit dem p-Typ-Dotierstoff Nb degeneriert dotiert ist“, sagte Das.

„Basierend auf den Erkenntnissen aus diesen Simulationen haben wir unser einzigartiges MOSFET-Design vorgeschlagen, das dicke (4–6 Schichten) Kanalbereiche unter den Kontakten für einen geringeren Kontaktwiderstand und dünne (1–3 Schichten) Kanalbereiche zwischen den Source- und Drain-Kontakten aufweist für eine verminderte Dopingwirkung.“

Der von diesem Forscherteam verwendete Ansatz reduziert nicht nur RC, sondern verbessert auch die elektrostatische Gate-Steuerung ihrer Transistoren, was sich in den beobachteten guten EIN/AUS- und hohen EIN-Strömen niederschlägt. Die Nb-dotierten MoSe2-Schichten in ihren Transistoren wurden mit einer Methode namens Chemical Vapour Transport (CVT) gezüchtet, die vom Teammitarbeiter Dr. Sofar Zdenek an der Universität für Chemie und Technologie in Prag entwickelt wurde.

„Um diese Geräte herzustellen, haben wir dicke Kristalle (4–6 Schichten) dieses Nb-dotierten MoSe2 auf einem Back-Gate-Substrat mit 50 nm Al2O3 als Dielektrikum abgeblättert“, sagte Das.

„Nachdem wir die Kontakte durch Elektronenstrahllithographie definiert hatten, schieden wir durch Elektronenstrahlverdampfung Pd-Kontaktmetall auf dem dotierten MoSe2 ab, um die Geräte zu bilden. Die Geräte wurden dann einer milden Sauerstoffplasmabehandlung ausgesetzt, um die oberste MoSe2-Schicht zu MoOX zu oxidieren – ein.“ Mo-Oxid, das in Wasser löslich ist.

Der Bereich unter den Kontakten in den Transistoren war vor der Plasmabehandlung geschützt und wurde daher nicht oxidiert. Anschließend spülten die Forscher das restliche MoOX in ihrem Gerät aus, indem sie es in entionisiertem Wasser spülten.

„Dieser Schritt der Sauerstoffplasmabehandlung gefolgt von entionisiertem Wasser wurde mehrmals wiederholt, um den mittleren Kanalbereich dünner zu machen und unsere vorgeschlagene MOSFET-Struktur zu erreichen“, erklärte Das. „Beachten Sie, dass jeder Sauerstoffplasma-Behandlungsschritt selektiv nur eine Atomschicht des TMD-Kanals entfernte. Mit dieser Strategie konnten wir einen Einschaltstrom von 85 µA/um mit einem EIN/AUS-Verhältnis von 104 erreichen.“

Das Team kombinierte die von ihm entwickelte neue Designstrategie mit bekannten Methoden, um die Leistung der Geräte zu steigern. Beispielsweise haben sie die Kanäle in der kombinierten Dual-Gate-Geometrie und Arbeitsfunktionstechnik des Transistors skaliert. Dadurch konnten sie einen noch höheren ON-Strom von 212 µA/um erreichen, was einer der höchsten gemeldeten Werte für 2D-FETs vom p-Typ ist.

„Dies beinhaltete die Herstellung eines 50-nm-Kanalbauelements auf einem 25-nm-Al2O3-Backgate-Oxid, gefolgt von Sauerstoffplasmabehandlungen, um unser Design aus dickeren Kontaktregionen und dünneren Mittelkanalregionen umzusetzen“, sagte Das.

„Weitere Herstellungsschritte umfassen die ALD-Abscheidung von 20 nm Al2O3 als Dielektrikum für das obere Gate und die Elektronenstrahlverdampfung von Ni, um die oberen Gate-Kontakte zu bilden. Das obere Gate-Kontaktmetall Ni und das hintere Gate-Kontaktmetall Pt wurden aufgrund ihrer hohen Austrittsarbeit ausgewählt. „

Bei der Anwendung auf 2D-TMDs überwindet die neue Dopingstrategie dieses Forscherteams die Einschränkungen zuvor eingeführter und etablierter Dopingmethoden. Letztendlich ermöglicht es eine gute Trägerinjektion und eine bessere elektrostatische Kontrolle über die Materialien.

„Ein einzigartiger Aspekt unserer Designstrategie besteht darin, dass sie sowohl zur Herstellung von leistungsstarken n-FETs als auch nicht nur von p-FETs umgesetzt werden kann“, sagte Dipanjan Sen, Co-Erstautor des Papiers.

„Allein der Austausch des p-Typ-Dotierstoffs Nb durch ein n-Dotierstoffatom in derselben Gerätearchitektur führt zu einem Hochleistungs-n-Typ-MOSFET. Der Herstellungsprozess, einschließlich des Sauerstoffplasmaschritts zur Reduzierung der Mittelkanalschicht, ist einfach.“ und hat genügend Vorteile bei der Realisierung von Demonstrationen auf Schaltkreisebene komplementärer n- und p-Typ-MOSFETs.“

Das vom Team vorgestellte Transistordesign und die Dotierungsstrategie könnten zur Entwicklung schnellerer und energieeffizienterer elektronischer Schaltkreise auf Basis von 2D-Halbleitern beitragen. Die mit ihrem Ansatz erstellten p-Typ-MOSFETs haben bereits einen bemerkenswerten Einschaltstromwert von 212 µA/um bei einem Ein/Aus-Verhältnis von 104 erreicht, das in Zukunft noch weiter verbessert werden könnte.

„Unsere Arbeit unterstreicht auch die Bedeutung der Betrachtung mehrschichtiger 2D-TMD-Filme als Kanalmaterial für zukünftige auf 2D-Materialien basierende Elektronik als Gegenalternative zu einschichtigen TMD-Materialien“, sagte Sen.

„In Zukunft könnte es auch mehr Forschung zum Wachstum dotierter 2D-TMD-Großflächenfilme durch fortschrittliche Wachstumsmethoden wie chemische Gasphasenabscheidung (CVD) und metallorganische chemische Gasphasenabscheidung (MOCVD) fördern.“

In ihren nächsten Studien planen die Forscher außerdem, die Skalierbarkeit ihrer Transistoren weiter zu verbessern. Sie könnten beispielsweise großflächige CVD-gewachsene mehrschichtige 2D-TMD-Materialien anstelle von abgeblätterten Flocken verwenden.

„Diese zukünftigen Bemühungen würden uns helfen, Schaltkreise mit diesen p-Typ-MOSFETs herzustellen“, fügte Das hinzu.

„Das Ausmaß des Dotierstoffeinbaus in das 2D-TMD-Gitter während des großflächigen CVD-Wachstums stellt eine Herausforderung dar, die eine erhebliche Optimierung erfordert. Andere Herausforderungen wie die Schwellenwerttechnik und die Variation von Gerät zu Gerät erfordern erhebliche Anstrengungen bei der Geräteforschung. Die Minimierung der Variation von Gerät zu Gerät könnte möglich sein.“ helfen auch bei der Demonstration von Logikschaltungen mit diesen Transistoren.

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