Contacten met transitiemetaal dichalcogenide halfgeleiders

De grote vooruitgang geboekt in de CMOS-industrie is ontstaan door de enorme toename van rekenkracht bekomen door het verkleinen van
de metaaloxide halfgeleider veldeffecttransistoren (MOSFET’s). Diverse technologische innovaties hebben een belangrijke rol gespeeld bij het bereiken
van de miniaturisatie van de transistor. De schaalvergroting bereikt zijn limieten omdat kortekanaaleffecten (short channel effects, SCE) de prestaties van het
apparaat aanzienlijk verminderen. Om de elektrostatische controle te verbeteren en SCE te overwinnen, plaatsen structuren zoals FinFET’s en gate-all-around
(GAA) FETs dunne Si-kanaallagen tussen meerdere poorten. Hoewel dit een schaalvergroting van de poortlengte tot 10 nm mogelijk maakt, veroorzaakt
het schalen van het Si-kanaal onder een laagdikte van 10 nm een degradatie van de mobiliteit omwille van de toegenomen verstrooiing door de toename
van de oppervlakteruwheid. In deze context worden tweedimensionale (2D) halfgeleidende materialen als geschikte alternatieven beschouwd. Theoretisch
zijn deze materialen atomair dun, en hun oppervlakken zijn van nature gepassiveerd, waardoor ze een uitstekende poortcontrole en verbeterd transport
van de ladingsdragers bieden. De realisatie van zulke componenten kent echter verschillende uitdagingen. Een van de belangrijkste uitdagingen is de hoge
contactweerstand (RC) door de vorming van een Schottky-barrière op de metaal-2D halfgeleiderinterface. In dit proefschrift bestuderen we in detail de impact
van Schottky-contacten op de elektrische prestaties van 2D halfgeleider-FETs. Molybdeendisulfide (MoS2) zal worden gebruikt als de representatieve 2Dhalfgeleider.

In het eerste deel van het proefschrift ontwikkelen we een stabiel en schaalbaar fabricatieproces dat ons toelaat om op betrouwbare wijze een groot aantal
apparaten te fabriceren die een breed gamma aan afmetingen bereiken en dit voor synthetisch gegroeide MoS2-lagen. Hierdoor beogen we een minimale
impact van procescondities op het MoS2-kanaal , waardoor we de intrinsieke MoS2-kenmerken kunnen bestuderen. We vergelijken de geldigheid van de
verschillende elektrische teststructuren door het kwantificeren van parameters die verband houden met de contact- en laageigenschappen van de 2D-halfgeleider.
We bieden ontwerpaanwijzingen voor structuren met vier sondes (4P) en transmissielijnmeting (TLM) en demonstreren consistentie en een hoge mate
van nauwkeurigheid in de geëxtraheerde parameters over de structuren heen. Verder stellen we een robuuste statistische procedure voor die gemakkelijk kan
worden gebruikt met de TLM-methode om de parameterextractie te verbeteren. Dit is vooral relevant voor 2D-materialen met een groot oppervlak aangezien zij
meer onderhevig zijn aan intrinsieke variabiliteit. Naast andere waarnemingen identificeren we een sterke poortveldafhankelijke contactweerstand voor MoS2-
componenten met de poort aan de achterzijde, die monotoon afneemt van het werkingsgebied onder de drempelspanning naar het sterk geaccumuleerde regime.
Voor het werkingsgebied onder de drempelspanning laten we met behulp van temperatuurafhankelijke metingen zien dat deze RC-afname het gevolg is van
de grote tunnelstroom door de Schottky-barrière, aangezien de barrièrebreedte wordt verkleind met het poortveld. In het sterk geaccumuleerde gebied is echter
niet bekend wat de RC verlaagt.

In het tweede deel van het proefschrift verklaren we deze observaties door een semiklassieke simulatiemethodologie te ontwikkelen en experimenteel demodelvoorspellingen te verifiëren. De benadering combineert het transportmodel met drift-diffusie voor de kanaalregio met een niet-lokaal tunnelmodel voor
transport over de Schottky-knooppunten. Op basis van de simulaties identificeren we twee hoofdpaden voor ladingsdragersinjectie van het metaal in
het MoS2-kanaal en de modulatie met het poortveld dat resulteert in RC modulatie. We vinden dat dergelijk pad, waar ladingsdragersdragers via
een schuin traject vanuit het metaal in het kanaal tunnelen, het dominante pad is voor dunnere lagen MoS2, met name 1-3 monolagen. We leveren
overtuigend bewijs voor deze hypothese door de afwezigheid van enig statistisch significant verschil in de elektrische prestaties van componenten met lange
en ultrageschaalde contactlengtes (tot 13 nm) aan te tonen. Met behulp van deze bevinding stellen we ook een nieuwe schaalregel voor voor 2Dhalfgeleidercomponentenmet Schottkycontacten en stellen we strategieën voor om RC te verminderen. We verduidelijken ook de impact van de Schottkycontacten in de verschillende werkingsregimes van componenten
door de simulaties en experimenten van componenten met verschillende kanaallengtes te vergelijken. In het werkingsgebied onder de drempelspanning
stellen we vast dat de kwaliteit van de kanaal-oxideinterface of SCE de onderdrempelspanningshelling (SS) voor een poortspanning onder het flat
band voltage (VFB) beperkt en de Schottky-barrière SS voor boven VFB beperkt. We presenteren ook een variabiliteitsstudie die de impact op de
SS onderzoekt door variaties in de dikte van MoS2 langs de contactbreedte. In het sterk geaccumuleerde regime maakt de nabijheid van de metalen
contacten tot het kanaal een efficiënte tunneling van ladingsdragers mogelijk, waardoor de niet-lineaire respons van afvoerstroom in functie van afvoerspanning
wordt verminderd, wat doorgaans wordt verwacht voor Schottky-contacten. Verder laten we zien dat voor een hoog aandrijfveld in de component de
Schottkycontacten transparant zijn en dat de ladingsdragersnelheidverzadiging die inherent is aan het 2D-kanaal kan worden waargenomen. Ten slotte sluiten
we af met een bespreking van de contact- en kanaalparameters die van invloed kunnen zijn op de aandrijfstroom van de component en mogelijke uitbreidingen
voor het model.