Er staat een technologische revolutie op stapel, die op het punt staat de apparaten die we gebruiken te veranderen. Onder leiding van professor Lee Young Hee heeft een team van onderzoekers van het Center for Integrated Nanostructure Physics binnen het Institute for Basic Science (IBS), Zuid-Korea, een nieuwe ontdekking onthuld die de fabricage van veldeffecttransistors aanzienlijk kan verbeteren ( FET).

Hun onderzoek is gepubliceerd in Nature Nanotechnology .

Een krachtige veldeffecttransistor (FET) is een essentiële bouwsteen voor de volgende generatie halfgeleidertechnologieën die verder gaan dan silicium. De huidige driedimensionale siliciumtechnologie heeft te lijden onder verslechtering van de FET-prestaties wanneer het apparaat wordt geminiaturiseerd voorbij sub-3-nm-schalen.

Om deze limiet te overwinnen, hebben onderzoekers de afgelopen tien jaar tweedimensionale (2D) overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) van één atoom dik (~ 0,7 nm) bestudeerd als een ideaal FET-platform. Niettemin zijn hun praktische toepassingen beperkt vanwege het onvermogen om integratie op waferschaal aan te tonen.

Een groot probleem zijn de residuen die tijdens de fabricage ontstaan. Traditioneel wordt polymethylmethacrylaat (PMMA) gebruikt als ondersteunende houder voor apparaatoverdracht. Dit materiaal staat erom bekend dat het isolatieresten achterlaat op TMD-oppervlakken, wat tijdens de overdracht vaak mechanische schade aan het kwetsbare TMD-vel veroorzaakt.

Als alternatief voor PMMA kunnen verschillende andere polymeren zoals polydimethylsiloxaan (PDMS), polyvinylalcohol (PVA), polystyreen (PS), polycarbonaat (PC), ethyleenvinylacetaat (EVA), polyvinylpyrrolidon (PVP) en organische moleculen waaronder paraffine, cellulose acetaat en naftaleen zijn allemaal voorgesteld als ondersteunende houder. Niettemin worden tijdens de overdracht onvermijdelijk resten en mechanische schade geïntroduceerd, wat leidt tot verslechtering van de FET-prestaties.

De IBS-onderzoekers hebben dit probleem aangepakt en een intrigerende doorbraak bereikt door met succes polypropyleencarbonaat (PPC) te gebruiken voor residuvrije natte overdracht. Het gebruik van PPC elimineerde niet alleen residu, maar maakte ook de productie van TMD op wafelschaal mogelijk met behulp van chemische dampafzetting. Eerdere pogingen om grootschalige TMD's te vervaardigen resulteerden vaak in rimpels, die optreden tijdens het overdrachtsproces. De zwakke bindingsaffiniteit tussen de PPC en de TMD elimineerde niet alleen residuen maar ook rimpels.

De heer Ashok Mondal, de eerste auteur van het onderzoek, zei:"De PPC-overdrachtsmethode die we hebben gekozen, stelt ons in staat TMD's op centimeterschaal te vervaardigen. Voorheen was TMD beperkt tot de productie met behulp van een stempelmethode, die vlokken genereert die slechts 30- 40 μm groot."

De onderzoekers bouwden een FET-apparaat met behulp van een halfmetalen Bi-contactelektrode met een monolaag van MoS₂ , die werd overgedragen via de PPC-methode. Er werd gevonden dat minder dan 0,08% van het PPC-residu op de MoS₂ achterbleef laag. Dankzij het ontbreken van restanten op het grensvlak bleek het apparaat een ohmse contactweerstand van R_C te hebben ~78 Ω-μm, wat dicht bij de kwantumlimiet ligt. Een ultrahoge stroom-aan/uit-verhouding van ~10 ¹¹ bij 15 K en een hoge aanstroom van ~1,4 mA/μm werden ook bereikt met behulp van het h-BN-substraat.

Deze bevinding was de eerste ter wereld die de productie en overdracht van CVD-gekweekte TMD op wafelschaal aantoonde. Het op deze manier geproduceerde ultramoderne FET-apparaat bleek elektrische eigenschappen te hebben die de eerder gerapporteerde waarden ver overtreffen. Er wordt aangenomen dat deze technologie eenvoudig kan worden geïmplementeerd met behulp van de momenteel beschikbare productietechnologie voor geïntegreerde schakelingen.

Dr. Chandan Biswas, de co-corresponderende auteur van de studie, zei:"Het is te hopen dat ons succes in de residuvrije PPC-overdrachtstechniek andere onderzoekers zal aanmoedigen om in de toekomst verdere verbeteringen in verschillende TMD-apparaten te ontwikkelen."

Meer informatie: Ashok Mondal et al., Lage ohmse contactweerstand en hoge aan/uit-verhouding in veldeffecttransistors van overgangsmetaaldichalcogeniden via residuvrije overdracht, Natuurnanotechnologie (2023). DOI:10.1038/s41565-023-01497-x. www.nature.com/articles/s41565-023-01497-x

Journaalinformatie: Natuurnanotechnologie

Aangeboden door Instituut voor Basiswetenschappen