2D overgangsmetaal dichalcogenides voor dan silicium logische bouwstenen: betere Metaal / MoS2-interface door moleculaire doping.

2D materialen hebben aangetoond een enorm potentieel te beritten vooreen groot aantal toepassingen zoals sensoren, spintronica, supergeleiders, en (foto)elektronica schakelingen. Van deze 2D materialen zijn halfgeleidende transitie metaal dichalcogeniden (MX2) van bijzonder belang voor elektronisch logische schakelingen zoals “Field Effect Transistors” (FETs), gezien hun interessante eigenschappen, zoals ultradunne natuur en een hoog-elektronische bandkloof die lagere “stand-by” vermogensdissipaties kan veroorzaken en de prestaties van schakelingen verder kan verbeteren. MoS2, een lid van de halfgeleidende MX2 familie, wordt normaal gezien gebruikt als een referentie, gezien zijn robuustheid onder normale omgevingsomstandigheden en zijn natuurlijke of synthetische beschikbaarheid. Toch moeten verschillende uitdagingen worden aangepakt alvorens schakelingen gebaseerd op MX2 worden geïmplementeerd. Uitdagingen zoals het begrijpen en karakteriseren van dergelijke schakelingen, de vermindering van de hoge contactweerstand, en de beheersbare dopering van dergelijke schakelingen.

Dit werk richt zich daarom op het begrijpen en verbeteren van de contactweerstand van het Metaal / MoS2 en de beheersbare dopering van op MoS2 gebaseerde schakelingen. Om dit te bereiken, worden eerst de verschillen vastgesteld tussen MoS2 FETs ten opzichte van conventionele inversie FET transistors. Daarna worden zorgvuldig experimenten uitgevoerd, waarbij verschillende karakteriseringstechnieken worden vergeleken, om de meest betrouwbare manier vast te stellen voor de extractie van schakelingen parameters. Uit de resultaten blijkt dat de contactweerstand gedomineerd wordt door een Schottky-barrière (SB) in de Metaal /MoS2 interface, wat leidt tot een hoge contactweerstand van schakelingen. Deze contactweerstand overtreft de kanaalweerstand voor kanalen kleiner dan 100nm. Het is dus duidelijk dat voor het verder schalen van de kanaallengte, om de prestaties van de FET te verbeteren, de vermindering van de contactweerstand van primordiaal belang is. De waarnemingen van deze experimenten werden vervolgens gebruikt om het gedrag van MoS2 FET zorgvuldig te modelleren met behulp van een semi-klassiek model. Er wordt meer inzicht in de aard van de hoge contactweerstand verkregen met dit model en twee belangrijke trajecten voor de elektroneninjectie van het contactmetaal naar de MoS2-film werden geïdentificeerd. Ten eerste, een verticaal traject waarbij de elektronen geïnjecteerd worden van het metaal op het MoS2-gebied dat zich direct ónder het contactmetaal bevindt, en die vervolgens naar het kanaal worden geleid door de MoS2-film. Ten tweede, werd een lateraal traject geïdentificeerd, waarbij de elektronen direct van de rand van het contactmetaal geïnjecteerd worden op de MoS2-film in het kanaalgebied. Deze trajecten zijn afhankelijk van de hoogte van de SB, de loodrechte en laterale velden, alsook van de dikte van de MoS2-film. Voor films dunner dan 2 lagen wordt het echt moeilijk om drager te accumuleren in de MoS2-film onder het contact en dus overheerst het laterale traject voor injectie. Het model maakt duidelijk dat de velweerstand van de MoS2 FET sterk ruimtelijk varieert, en dat de veronderstelling van eenzelfde velweerstand voor de hele film niet stand houdt, maar dat het erg kan verschillen in het kanaalgebied en onder het contactmetaal, vooral voor dunne MoS2-schakelingen. Dit introduceert een fout in de contact-transferlengte en het contactweerstandsvermogen van het apparaat wanneer deze parameters worden geëxtraheerd met gebruikmaking van de conventionele transferlengte methode. Bovendien onthulte het model dat een effectieve manier om de contactweerstand te verminderen was om dopering toe te passen op het MoS2-gebied direct náást het contactmetaal en dit om het laterale traject te verbeteren dat altijd al het meest relevante traject was. Twee experimentensets warden uitgevoerd om de mogelijkheid van effectieve en controleerbare oppervlakte dopering aan te tonen, zónder de dragermobiliteit te verlagen, en dit door gebruik te maken van twee verschillende benaderingen: zelf-samenstellende gefysisorbarde moleculen en spin-coating van polymeren. Het voordeel van de zelf-samenstellende benadering ligt in het gemak om de ruimtelijke verdeling en densiteit van ladingen te controleren door de zelf-samenstelling van de moleculen. De polymeerbenadering is echter industrievriendelijker en robuuster. Oleylamine (OA) werd gebruikt voor de zelf-samenstellingsbenadering, en dopering werd effectief aangetoond samen met reductie van contactweerstand. De polymeerbenadering (polyvinylalcohol) toonde ook de mogelijkheid van dopering aan, naast verbeterde robuustheid. Tenslotte werd de relatie tussen de dikte van de MoS2-film en de oppervlakte dopering benadering onderzocht en er werd geconcludeerd dat oppervlakte dopering optimaal is voor een filmdikte ónder 5.2nm.

Over het algemeen, ook al is er een versnelde vooruitgang waargenomen in MoS2 gebaseerde schakelingen, is er nog steeds extra werk nodig voor een succesvolle integratie in de industrie. Verdere reductie van de contactweerstand is nodig en een manier om deze apparaten te integreren met fabricageproces, waarbij een temperatuur zo hoog als 400 _C nodig is moet worden onderzocht.