Ultimatives Skalierungs- und Leistungspotential von MoS2 Feldeffekttransistoren ( ULTIMOS2)

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Max Christian Lemme; Privatdozent Dr.-Ing. Frank Schwierz
• Fachliche Zuordnung: Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 412113712

Seit im Jahr 2011 ein Transistor mit einem Kanal aus zweidimensionalem (2D) Molybdändisulfid (MoS2) demonstriert wurde, wird 2D-Materialien jenseits von Graphen sehr großes Interesse entgegen gebracht. Weltweit werden insbesondere 2D Transition Metal Dichalcogenides (TMDs) mit MoS2 als prominentestem Vertreter für elektronische Anwendungen erforscht. MoS2 weist eine deutliche Bandlücke auf und ist daher für die zukünftige Digitalelektronik sehr attraktiv. Allerdings befindet sich die MoS2-Technologie in einem frühen Stadium und das tatsächliche Potenzial von MoS2-Feldeffekttransistoren (FETs) ist noch unklar. Das macht es derzeit sehr schwierig oder gar unmöglich, die prinzipiellen Grenzen der Leistungsfähigkeit und Skalierbarkeit von MoS2-FETs einzuschätzen und ihre Aussichten für die zukünftige Elektronik realistisch zu beurteilen. Diese Situation liefert die Motivation für das beantragte Vorhaben, das auf die Herstellung, Theorie und Simulation von ultimativ skalierten MoS2-FETs gerichtet ist. Drei Projektpartner, zwei deutsche und ein österreichischer, mit anerkannter und sich perfekt ergänzender Expertise auf den Gebieten Technologie und Theorie von 2D-Transistoren werden intensiv zu MoS2-FETs forschen und die folgenden Aufgaben bearbeiten:• Untersuchung des Skalierungsverhaltens von MoS2-FETs durch umfassende experimentelle und theoretische Studien.• Demonstration von MoS2-FETs mit sub-10 nm Gate-Länge.• Kritische Beurteilung des Potenzials ultimativ skalierter Mono- und Mulitlagen-MoS2-FETs unter Berücksichtigung von technologischen Randbedingungen, von Schaltgeschwindigkeiten und von Nichtidealitäten wie Charge Trapping. • Erforschung des Potenzials von p-Typ MoS2 FETs.Die Antragsteller werden aktuellste nano- und mikrotechnologische Verfahren zur Erforschung der Skalierungsgrenzen von MoS2 FETs einsetzen. In Kombination mit umfangreichen Arbeiten zur Bauelementetheorie und -simulation wird der Kenntnisstand zur Leistungsfähigkeit von MoS2-FETs deutlich verbessert. Die theoretischen Arbeiten sind eng mit den Experimenten verknüpft und werden u.a. genutzt, um geeignete Designs für MoS2-FETs zu erarbeiten, wobei Spezifika der Prozessierung und Nichtidealitäten wie Charge-Trapping berücksichtigt werden. Komplette Prozessflüsse zur Realisierung ultimativ skalierter MoS2-FETs mit Modulen zur Abscheidung von MoS2 und Gate Dielektrika, zur Bornitrid-Verkapselung und zur Formierung ohmscher Kontakte werden etabliert. Die damit gefertigten Teststrukturen und Bauelemente, einschließlich Hochfrequenzstrukturen zur Extraktion der Schaltzeit, werden einer umfassenden Analyse und Charakterisierung unterzogen, deren Resultate wiederum zur Bewertung der theoretischen Ergebnisse genutzt werden. Das Projekt wird zu einem deutlichen Erkenntnisgewinn in der Physik, im Skalierungsverhalten und in der Prozessintegration von MoS2-FETs und zu einer fundierten Beurteilung ihrer Vor- und Nachteile führen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Tibor Grasser