Two dimensional materials-based vertical heterojunction devices for electronics, optoelectronics and neuromorphic applications

Belete, Melkamu Adgo; Lemme, Max C. (Thesis advisor); Waser, Rainer (Thesis advisor)

Aachen : RWTH Aachen University (2021)
Doktorarbeit

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Kurzfassung

Der Fortschritt in der digitalen Mikroelektronik beruhte jahrzehntelang auf der klassischen Skalierungsphilosophie nach dem "Moore‘schen Gesetz". Eine Verlangsamung dieser unerbittlichen Skalierung der Bauteile ist aufgrund grundlegender physikalischer Grenzen jedoch unvermeidlich geworden. Dies führte zur Entwicklung einer neuen Strategie mit der Bezeichnung "More than Moore (MtM)", die auf die Diversifizierung der Funktionalität integrierter Schaltkreise abzielt, indem neuartige nicht-digitale (analoge) Anwendungen gefördert werden, wie z.B. Hochfrequenzelektronik (HF), Leistungsmanagementsysteme, Optoelektronik, Sensoren, mikro-/nano elektromechanische Systeme, Computersysteme der nächsten Generation usw. Diese Strategie erfordert neue Bauelementekonzepte und neuartige Materialien, die den herkömmlichen überlegen sind. Neuartige zweidimensionale (2D) Materialien wie Graphen und Molybdändisulfid (MoS2) sind aufgrund ihrer einzigartigen strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften für MtM-Anwendungen geeignet. Im Einklang mit den MtM-Zielen werden in dieser Arbeit vertikale hybride Bauelemente auf der Basis von Graphen, MoS2 und deren Heterostrukturen untersucht, die auf konventionellem 3D-Silizium(Si) integriert werden, um Anwendungen in der HF-Elektronik, Optoelektronik und im neuromorphen Computing zu ermöglichen. Die hier verwendeten Herstellungsverfahren sind skalierbar und mit der Halbleiterprozesstechnologie kompatibel. Der wichtigste Meilenstein in dieser Arbeit war die Untersuchung des Potenzials von MoS2 als Emitterdiode von Heißen Ladungsträger Transistoren (GBTs) auf Graphenbasis. GBTs sind vielversprechende Bauelemente für analoge Hochgeschwindigkeitselektronik und haben eine vertikale Architektur, die einen Si-Emitter, eine Graphen-Basis und einen Metall-Kollektor umfasst, die jeweils durch eine dünne Barriere isoliert sind. Die Maximierung der Leistungsfähigkeit von GBTs erfordert eine effiziente Injektion heißer Elektronen über die Emitter-Basis-Grenze. Die Theorie legt nahe, dass dies durch die Verwendung von halbleitenden Barrierematerialien erreicht werden kann, die niedrige Energiebarrieren bilden, um die thermionische Emission zu fördern. MoS2 ist in dieser Hinsicht ein guter Kandidat, da es ein halbleitendes Verhalten mit einer Bandlücke und Elektronenaffinitätswerten aufweist, die zu kleinen Barrieren zum Si-Emitter führen. Daher wurden vertikale Si/MoS2/Metall-Heteroübergangs-Bauelemente mit Hilfe von Kapazitätsspannungs- (C-V) und Leitwertspannungs-Techniken (G-V) untersucht. Die statische Dielektrizitätskonstante vonMoS2 wurde aus den gemessenen C-V-Daten ermittelt. Messungen unter elektrischer Feldbelastung, verifiziert durch analytische Simulationen, haben Grenzflächenzustände und mobile negative Ionen inMoS2 nachgewiesen. Diese Beobachtung wurde außerdem durch eine Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie Analyse unterstützt, die Hydroxyl-Ionen (OH-) zeigte, die möglicherweise aus der katalytischen Wasserspaltung durchMoS2 stammen. Darüber hinaus zeigen Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie die strukturellen Eigenschaften des Films, einschließlich seiner Polykristallinität mit vertikal ausgerichteten Schichten. Anschließend wurden die Eigenschaften des Ladungsträgertransports in vertikalen "n+-Si/MoS2/Graphen" Heteroübergangsdioden analog zu den Emitterdioden von GBTs untersucht. Analysen der gemessenen temperaturabhängigen I-U-Daten bestätigten in Verbindung mit analytischen Modellen, dass der Elektronentransport über die n+-Si/MoS2 Heteroübergangsbarriere durch thermionische Emission dominiert wird. Damit sind die Voraussetzungen für die Verwendung von MoS2 als Emissionsbarriere von GBTs erfüllt. Die Arbeit umfasst auch Experimente zu den vertikalen "Si/MoS2/Metall" Heteroübergängen für das memristive Schalten. Die Charakterisierung der statischen (DC) Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V) und des Schaltverhaltens des Widerstands (RS), einschließlich Ausdauer- und Zustandsbeibehaltungstests, weist die memristive Funktionalität der Bauelemente nach. Die Schalttests zeigen ein bipolares und nichtflüchtiges RS-Verhalten mit vielversprechender Haltbarkeit und Zustandserhaltung für mindestens 140 DC-Schaltzyklen bzw. 2500 Sekunden. Kontrollierte C-V-, G-V- und Messungen des Schaltverhaltens unter Umgebungs- und Vakuumbedingungen, die durch analytische Simulationen unterstützt wurden, legen nahe, dass das beobachtete RS-Verhalten auf durch elektrische Felder angetriebene Bewegungen der mobilen OH¡-Ionen entlang dervertikalenMoS2-Schichten und deren Einfluss auf die Potenzialbarriere an der Si/MoS2-Grenzfläche zurückzuführen ist. Elektrooptische Charakterisierungen, wie beispielsweise I-V Messungen mit und ohne Weißlichtbeleuchtung und Messungen der spektralen Empfindlichkeit (SR), weisen eine breitbandige optische Empfindlichkeit von vertikalen "n+-Si/MoS2/Graphen" Heteroübergangsdioden nach. Die SR-Daten weisen mehrere Peaks im ultravioletten und sicht- baren Bereich auf, was darauf hindeutet, dass der gemessene Photostrom hauptsächlich auf Anregungen im MoS2 zurückzuführen ist. Darüber hinaus wird bei Energien unterhalb der Si- und MoS2-Bandlücken eine Reaktion im Infrarotbereich beobachtet. Dies kann auf Absorption im Graphen und/oder Zwischenschichtübergänge in einer gestaffelten Bandanordnung oder auf Absorption über Zustände in der MoS2-Bandlücke zurückgeführt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Arbeiten und Ergebnisse dieser Dissertation als Leitfaden für die Integration von 2D-Materialien und deren Heterostrukturen in die bestehende Si-Plattform dienen können, um hybride Heteroübergangs-Bauelemente für potenzielle elektronische, optoelektronische und neuromorphe Anwendungen zu schaffen.

Einrichtungen

  • Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente [618710]

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