Stabilität für die Zukunft zweidimensionaler Transistoren

Stabilität - im Sinne eines stabilen Betriebs über die gesamte Lebensdauer - ist eine der wichtigsten Eigenschaften, die ein elektronisches Bauelement aufweisen muss, um für Anwendungen geeignet zu sein. Und sie ist die Achillesferse von Transistoren auf Basis zweidimensionaler Materialien, die typischerweise eine viel schlechtere Stabilität aufweisen als Bauelemente auf Siliziumbasis. Ein Team von Forschern der TU Wien, der AMO GmbH, der RWTH Aachen und der Bergischen Universität Wuppertal hat nun einen neuartigen technischen Ansatz zur Verbesserung der elektrischen Stabilität von zweidimensionalen Transistoren durch eine sorgfältige Abstimmung der Fermi-Energie vorgestellt. Die Ergebnisse wurden in Nature Electronics veröffentlicht. 

Bauelemente auf der Grundlage von Graphen

Heute gibt es kaum noch Zweifel daran, dass Bauelemente auf der Grundlage von Graphen und anderen zweidimensionalen (2D) Materialien dank ihrer Eigenschaften den Stand der Technik für bestimmte Anwendungen übertreffen können. Zweidimensionale Materialien gelten auch als einige der vielversprechendsten Kandidaten für die Realisierung von Transistoren am Ende des Roadmaps der Siliziumtechnologie.  Allerdings weisen Bauelemente aus 2D-Materialien häufig eine schlechte elektrische Stabilität auf, d. h. ihr Verhalten ändert sich je nach Betriebsverlauf. 

„Ein Aspekt, der bei der Forschung oft vernachlässigt wird, ist die Bauteilzuverlässigkeit. An genau diesem Punkt setzen wir seit einigen Jahren an, denn er wird für die Anwendung von zentraler Bedeutung sein“, erklärt Professor Max Lemme, wissenschaftlicher Direktor der AMO GmbH und Leiter des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente an der RWTH. Die vorhandene Instabilität wird nicht nur durch 2D-Materialien selbst verursacht, sondern insbesondere durch Ladungen, die in dem Oxidisolator eingeschlossen sind, der zur Herstellung der Transistoren verwendet wird. „Am liebsten würde man einen anderen Isolator mit weniger Ladungsfallen verwenden“, sagt Lemme, „aber dafür gibt noch keine skalierbaren Lösungen. In unserer Arbeit haben wir stattdessen gezeigt, dass es möglich ist, einen Standardisolator wie Aluminiumoxid zu verwenden und durch Einstellen der Ladungsträgerdichte im 2D-Material die nachteiligen Auswirkungen der Ladungsfallen im Oxid deutlich zu unterdrücken.“

Stabile und zuverlässige Transistoren aus 2D-Materialien für die Halbleitertechnologie

Die Arbeit kombiniert eine gründliche theoretische Analyse des neuartigen Ansatzes – von den Autoren als „stabilitätsbasiertes Design“ bezeichnet – und eine grundlegende Demonstration des Konzepts durch elektrische Messungen an verschiedenen Arten von Graphen-Transistoren. Kerngedanke des Ansatzes ist es, die Kombination 2D-Material/Isolator so zu konstruieren, dass die Energie der Ladungsfallen im Isolator möglichst verschieden von der der Ladungsträger im 2D-Material ist. „Graphenbasierte Transistoren waren die ideale Testumgebung für unseren Ansatz, da es relativ einfach ist, die Energie von Ladungsträgern in Graphen einzustellen. Der Ansatz ist jedoch prinzipiell auf alle Transistoren anwendbar, die auf 2D-Halbleitern basieren“, erklärt Professor Lemme. Diese Ergebnisse stellen einen großen Schritt in Richtung stabiler und zuverlässiger Transistoren aus 2D-Materialien dar, die in die Halbleitertechnologie integriert werden sollen.

Bibliographische Informationen:
T. Knobloch, B. Uzlu, Y. Yu. I.llarionov, Z. Wang, M. Otto, L. Filipovic, M. Waltl, D. Neumaier, M. C. Lemme, T. Grasser, Improving stability in two-dimensional transistors with amorphous gate oxides by Fermi-level tuning, Nature Electronics (2022) – Open Access
DOI: 10.1038/s41928-022-00768-0

Kontakt: Prof. Max C. Lemme, AMO GmbH 
lemme@amo.de