Zuverlässigkeit von Übergangsmetall-Dichalkogenid Feldeffekt Transistoren

In den letzten Jahrzehnten war der technologische Fortschritt unserer Gesellschaft stark durch die Miniaturisierung eines elektronischen Bauelements, nämlich des Feldeffekt-Transistors (FETs), getrieben. In den letzten Jahren ist diese Miniaturisierung aber immer weiter in den atomaren Bereich vorgedrungen und somit an ihre physikalischen Grenzen gestoßen. Um mit den Vorgaben der ITRS Roadmap weiterhin Schritt halten zu können, sind daher tiefgreifende Strukturänderungen bei diesen Bauelementen notwendig, vor allem in Bezug auf Geometrie (FinFETs) und letztendlich auch Materialauswahl, für welche der Einsatz von zweidimensionalen (2D) Materialien eine interessante Lösungperspektive bietet. Aufgrund ihrer hervorragenden Eigenschaften hätten diese Materialen ein enormes Potenzial im Vergleich zu traditionellem Silizium und könnten zum Beispiel deutliche Verbesserungen des transienten Schaltverhaltens und des Leistungsverbrauchs von Transistoren erzielen. Seit der ersten erfolgreichen Herstellung von Graphene im Jahr 2004, der Pioniertat für den Erfolg von 2D Materialien, wurde tatsächlich in einer Vielzahl an wissenschaftlichen Publikationen von verbesserten Bauteileigenschaften durch die Verwendung von 2D Materialien berichtet. Auch wurde kürzlich vermeldet, dass 2D-Übergangsmetall-Dichalkogenide (2D/TMD) wie beispielsweise MoS2, TiS2, TaS2, WS2, MoSe2 und WSe2 das bandlückenlose Graphene in vielerlei Hinsicht - aber insbesondere in digitalen Anwendungsbereichen von FETs - übertreffen. Daher ist anzunehmen, dass die Untersuchung von 2D/TMD basierten Transistoren einen Hauptschwerpunkt in der Forschung von Mikro- bzw. Nanoelektronik in den kommenden Jahren darstellen wird. Auch wenn einige bahnbrechende wissenschaftliche Publikationen eine beeindruckende Performanz der auf MoS2 basierten FET Prototypen demonstriert haben, ist die Forschung in dem Bereich von 2D/TMD FETs noch ihrem Frühstadium. Es gibt daher weiterhin zahlreiche offene Fragen denen nachgegangen werden muss, allen voran jener der bisher fast unerforschten Bauteilzuverlässigkeit. Daher widmet sich dieses Projekt dem Schüsselproblem der Bauteilzuverlässigkeit der nächsten Generation von 2D/TMD FETs. Dieses Projekt basiert auf einer umfassenden Methodik zur Analyse der Bauteilzuverlässigkeit, das heißt einer Kombination von drei Untersuchungsmethoden, welche in diesem Umfang noch nie durchgeführt wurden. Diese beginnen bei der Device-Level-Charakterisierung und führen über die Nanoscale-Charakterisierung schlussendlich mittels Modellierung zur Bauteilverbesserung. Profitierend von der hervorragenden räumlichen Auflösung unserer Nanoscale- Charakterisierungsinstrumente werden wir einen Schwerpunkt auf die inhomogene Hot-Carrier- Degradation innerhalb des Kanals setzen. Dadurch wird dieses Projekt zur Etablierung von 2D- Materialien in der Halbleiterindustrie beintragen, damit eine realistische Lösung gegen eine drohende Stagnation in der Weiterentwicklung von FETs schaffen und infolge den technologischen Fortschritt unserer Gesellschaft aufrecht erhalten.

Im Zeitalter der Digitalisierung spielen Computerchips in immer mehr Bereichen unseres Alltags eine zentrale Rolle. Computerchips erleichtern die Kommunikation, die Weitergabe von Wissen, die Navigation und viele weitere Aufgaben und schaffen so neue ungeahnte Möglichkeiten. Doch um diese Möglichkeiten so vielen Menschen wie möglich zu eröffnen, müssen die Computerchips selbst immer leistungsstärker, schneller, kostengünstiger und energieeffizienter werden. Im Kern bestehen Computerchips aus unzähligen Feldeffekttransistoren (FETs) mit denen wir uns im Rahmen dieses Forschungsprojekts beschäftigten. In diesem Projekt untersuchten wir einen vielversprechenden Ansatz um FETs selbst noch leistungsstärker, kostengünstiger und energieeffizienter zu machen, indem nämlich die Abmessungen der Transistoren verkleinert werden. Um kleine Transistoren an der ultimativen physikalischen Grenze bauen zu können, müssen diese Transistoren aus einzelnen Atomlagen bestehen. Dazu werden neuen Materialien benötigt, welche in ihrer zweidimensionalen Form stabil sind. Eine Materialgruppe, die diese Anforderungen erfüllt sind die Übergangsmetalldichalkogenide (TMD) auf die wir uns in diesem Projekt konzentriert haben. Zu Beginn der Projektlaufzeit, zeigten alle vorhandenen Prototypen für FETs aus TMDs einen sehr instabilen Betrieb und eine kurze Lebensdauer. Um die physikalischen Ursachen zu identifizieren, die FETs instabil machen, wurden in diesem Projekt drei verschiedene Untersuchungsmethoden kombiniert. Erstens wurde die Zuverlässigkeit direkt durch elektrische Messungen an FET-Prototypen getestet, zweitens wurden die mikroskopische Ursachen der Instabilität durch Messungen der Isolatoren mittels leitendem atomaren Kraftmikroskop analysiert und drittens wurden die Messdaten mit physikalischen Modellen und Simulationen beschrieben. Durch die Kombination der drei unterschiedlichen Sichtweisen auf das Problem konnte die Hauptursache der Instabilität identifiziert werden. Die FETs sind im Betrieb oft instabil, da Ladungen in atomaren Defekten im Isolator eingefangen werden. Dieser Ladungseinfang bleibt meist für längere Zeit bestehen, bis die Ladung in einem zufälligen Prozess wieder an den Ladungskanal abgegeben wird. Diese Einsicht erlaubt es Ideen vorzuschlagen, die eine Verbesserung der Stabilität von FETs aus TMDs bewirken könnten. Der vielversprechendste Ansatz den wir in diesem Projekt gefunden haben, zielt darauf ab die weit verbreiteten amorphen Isolatoren durch kristalline Isolatoren zu ersetzen welche viel weniger atomare Defekte beinhalten. In diesem Zusammenhang sind hexagonales Bornitrid und Kalziumfluorid besonders gut geeignete Isolatoren für FETs die TMDs als Halbleiter verwenden.