Ab initio simulaties van nieuwe 2D-materialen en interfaces voor geavanceerde ICT-toepassingen

Om de ontwikkeling en miniaturisatie van transistoren verder te zetten, zijn nieuwe materialen en device concepten noodzakelijk. Deze thesis bevat een studie van twee nieuwe klassen van materialen, met name superroosters en tweedimensionale (2D) materialen, met als doel hun potentieel om silicium in het kanaal van een transistor te vervangen. Om deze analyse uit te voeren werden state-of-the-art modeleringstechnieken gebruikt om een atomistische beschrijving van deze systemen te realiseren. Nieuwe device concepten om de Metaal-Oxide-Halfgeleider veldeffecttansistor (MOSFET) te vervangen worden ook onder de loep genomen waarbij de voordelen van deze materialen worden geëxploiteerd.

Het schalen van de fysische afmetingen van transistoren die gebruikt worden in geïntegreerde circuits bereikt een toestand waar degradatie van de performantie en toename van het vermogensverbruik optreedt wegens kwantummechanische effecten. Silicium, het basiselement van transistoren, bereikt dus stilaan haar limieten binnen de context van schalingsmogelijkheden. Naarmate lengte van het kanaal in een transistor de 10 nm bereikt en de dikte van het kanaal zeer dun wordt, zorgt “source-to-drain” tunneling ervoor dat de transistor op degelijke wijze kan worden uitgeschakeld, terwijl kwantummechanische effecten ook nog eens verantwoordelijk zijn voor gedegradeerde mobiliteiten van de ladingdragers. Bovenop deze fenomenen leidt het steeds dunner maken van de oxidelaag tot een verhoogde lekstroom naar de transistorpoort. Om de miniaturisatie van transistoren vol te houden en de reductie van het vermogensgebruik te doen dalen, zullen we nieuwe materialen met betere mobiliteiten voor de ladingdragers moeten gebruiken om het silicium te vervangen. Voorliggende thesis spitst zich toe op het onderzoek van superroosters, quasi-tweedimensionale materialen opgebouwd uit alternerende halfgeleidende lagen (Si of Ge) met tussenliggende lagen (zuurstof, stikstof en koolstof). Deze aanpak biedt een veelbelovend alternatief dat ook toelaat om de elektronische eigenschappen van het transistorkanaal te beïnvloeden.

Anderzijds is het zo dat de fundamentele eigenschappen van tweedimensionale materialen in dit werk ook worden onderzocht. Deze klasse van materialen wordt tegenwoordig beschouwd als een potentiële concurrent voor toekomstige transistoren omwille van hun zelf-passiverende atomaire configuratie, relatief hoge mobiliteiten en de excellente elektrostatische controle die gepaard gaat met atomair dunne materialen. De fysica van deze materialen is nog niet goed begrepen, i.h.b. de elektronische eigenschappen en op welke wijze de omgevingsomstandigheden hierop een impact hebben. Parallel aan de zoektocht voor nieuwe materialen wordt ook gekeken naar het toepassingsgebied voor 2D materialen zoals bijvoorbeeld de Tunneling veldeffecttransistor (TFET).

Deze transistor kan de intrinsieke limieten van de MOSFET overwinnen op het vlak van vermogensverbruik. De TFET is een laag vermogen transistor dat gebaseerd is op het filteren van de energiedistributie van de geïnjecteerde ladingdragers. Dit leidt tot een zeer steile schakeling van de AAN naar de UIT toestand. Hierdoor kan de voedingsspanning kleiner gemaakt worden wat bijdraagt tot de reductie van warmte dissipatie.

De hoofddoelstelling van deze thesis bestaat er uit om een fundamenteel begrip te krijgen van de eigenschappen van superroosters en 2D materialen om een evaluatie te kunnen maken van hun potentieel als materialen voor het geleidende kanaal van veldeffecttransistoren (zowel MOSFETs en TFETs). We streven naar een formulering van aanbevelingen m.b.t. het ontwerp en de selectie van materialen voor toekomstige elektronische devices. Moderne modeleringstechnieken (moleculaire dynamica, “first-principle” simulaties en kwantumtransport berekeningen) worden gebruikt om de structurele, elektronische en transporteigenschappen te evalueren.

De resultaten tonen aan dat door de selectie van een gepaste atomaire configuratie de superroosters de transporteigenschappen in de transportrichting gunstig kan beïnvloeden terwijl in de richtingen loodrecht op de transportrichting een degradatie wordt vastgesteld. 2D materialen zijn tevens veelbelovende alternatieven voor de MOSFET op voorwaarde dat een voorzichtige keuze wordt gemaakt van het materiaal. De dikte (of aantal 2D lagen) moet voorzichtig gecontroleerd worden om dielektrische afscherming van de het elektrische veld afkomstig van de transistorpoort te vermijden.

Wanneer 2D materialen gestapeld worden als heterostructuren, openen zij tevens de deur naar de ontwikkeling van alternatieve methoden voor de dotering d.m.v. elektrostatica. Dit laat toe om hoge doteringsconcentraties te bekomen (meer dan 1e13 |e|/cm2). Wanneer deze ingebouwd worden in TFET geleidingskanalen, wordt het mogelijk om laagvermogen toepassingen te ontwikkelen. Anderzijds leidt de zwakke interactie tussen deze lagen tot een variabiliteit in de performantie van het device.