Reliability of Transition Metal Dichalcogenide Field Effect Transistors

The growth of modern societies is strongly linked to the development of new electronic devices and circuits. Among them, the one that has played the most important role promoting humanity progress is the Field Effect Transistor (FET), which is the basic unit of most electronic circuits and computers. In its humble origins the performance of electronic transistors was very limited, but during the 20th century the scientific community has made them smaller, faster, cheaper and energetically more efficient. Now, the size of FETs is approaching a physical limit, as they are reaching the atomic scale, and this has accelerated the race for finding novel strategies that allow continuing the scaling trend that has prevailed during the last four decades. In this direction, a rising star for device fabrication are two dimensional (2D) materials. Due to their superior properties, these materials can provide very high performance in terms of switching speed, power consumption and durability compared to traditional silicon-based FETs. Moreover, these materials provide additional properties such as flexibility and transparency, opening a new horizon for the development of electronic devices.

The first 2D material ever synthesized, which is also the most popular one, is graphene. During the last years a countless amount of electronic devices using graphene have been reported, but now the interest in graphene electronics seems to be losing its momentum. The reason is that, after many studies, academia and industry have realized that graphene presents an essential limitation: it has no bandgap, and it cannot be artificially induced without degrading graphene’s genuine properties. That means graphene cannot be efficiently used in logic applications because the power consumption prohibitively increases; and that is a major problem because 90% of electronic devices we daily use require such logic circuits. Fortunately, recent discoveries have allowed the fabrication of semiconductor 2D materials, and among them the family of Transition Metal Dichalcogenides (2D/TMD) shows very promising performance. Therefore, the study of 2D/TMD FETs is going to be a key element in micro/nano electronics research for the next years.

Although some seminal research papers have already demonstrated outstanding properties, the research in the field of 2D/TMDs FETs is still in its embryonic stage, and there are still many open questions that need to be addressed, with a most important one concerning their basically unknown reliability. Therefore, the aim of this project is the study of key reliability issues involved in next generation FETs made of advanced 2D/TMDs. With the help of expert partners, we will contribute to the establishment of 2D materials in the semiconductors industry, providing a realistic solution to avoid the stagnation of the scaling down of FETs, and contribute to the technology-driven development of our society.

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.