Schichtmaterialien, die bei einer Dicke von einer bis wenigen Atomlagen stabil bleiben. Halbleiter wie MoS2 können extrem dünne Kanäle bilden, die mit Silizium schwer möglich sind, und werden daher für künftige, extrem skalierte Transistoren erforscht.
Japanische Bezeichnung: 2次元材料
„2D-Materialien“ kommt in 3 Übungsfragen aus 3 Themen vor, z. B. Epitaxie, Moderne Transistoren (FinFET, GAA), Ätzen.
Fachgebiet: Moderne Transistoren (FinFET, GAA)
2D-Materialien sind eine oder wenige Lagen aus Schichtkristallen, in denen die Atome innerhalb jeder Ebene stark kovalent gebunden sind, während die Ebenen durch schwache Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Typische Beispiele sind Graphen (Kohlenstoff), hexagonales Bornitrid (hBN, ein Isolator) und die halbleitenden Übergangsmetall-Dichalkogenide (TMDs). TMDs verbinden ein Übergangsmetall wie Molybdän oder Wolfram mit einem Chalkogen wie Schwefel oder Selen; eine Lage MoS2 ist etwa 0,65 nm dick. Graphen hat keine Bandlücke, daher sind TMDs die Hauptkandidaten für Transistorkanäle.
Um den Kurzkanaleffekt zu unterdrücken, braucht man einen Kanal, der im Vergleich zur Gatelänge dünn ist. Wird Silizium unter einige Nanometer gedünnt, senkt die Streuung an der Oberflächenrauheit die Beweglichkeit stark, und kleine Dickenschwankungen verschieben die Schwellenspannung. 2D-Materialien haben keine offenen Bindungen (Dangling Bonds) an ihren Oberflächen, und ihre Lagendicke ist durch das Material festgelegt, sodass sie selbst unter 1 nm halbleitend bleiben. Sie sind daher Kandidaten, um die Kanäle von Nanosheet-GAA und CFET noch dünner zu machen, wobei MoS2 für n-Typ- und WSe2 für p-Typ-Bauelemente untersucht wird.
Ein hoher Kontaktwiderstand zu Metallelektroden war ein großes Problem von Transistoren aus 2D-Materialien. 2021 berichteten Forschende von MIT, TSMC, der National Taiwan University und anderen, dass halbmetallische Bismutkontakte den Kontaktwiderstand zu einlagigem MoS2 stark verringern. Das Fehlen offener Bindungen wirkt dagegen bei der Bildung des Gate-Dielektrikums nachteilig: Präkursoren für die Atomlagenabscheidung (ALD) adsorbieren schlecht an der Oberfläche, sodass High-k-Schichten nicht gleichmäßig wachsen; Keimschichten und andere Verfahren werden untersucht.
Gleichmäßige, defektarme Einzellagen über einen ganzen 300-mm-Wafer zu bilden ist noch schwierig, und wenn bei hoher Temperatur auf einem anderen Substrat gewachsene Schichten übertragen werden, werden Falten, Verunreinigungen und Risse zum Problem. Auch gute p-Typ-Leistung und die Steuerung der Leitfähigkeit durch Dotierung wie bei Silizium sind Herausforderungen. Mitte der 2020er-Jahre werden Kanäle aus 2D-Materialien für Generationen nach dem Silizium-Nanosheet erforscht.
Antwort: A. Remote-Epitaxie
Bei der Remote-Epitaxie wird das Substrat mit 1 bis 2 Atomlagen Graphen o. Ä. bedeckt, und darauf wächst der Kristall. Graphen ist dünn genug, dass das Potenzial der Substratatome durchdringt und die Kristallinformation des Substrats übertragen wird, sodass ein Einkristall entsteht; da Schicht und Substrat jedoch nicht chemisch gebunden sind, lässt sich die gewachsene Schicht z. B. mit Klebeband leicht ablösen und das Substrat wiederverwenden. Erwartet werden die Wiederverwendung teurer GaAs- oder SiC-Substrate und Anwendungen für biegbare Bauelemente.
Graphen hat keine Bandlücke, daher kann eine Gatespannung den Strom nicht ausreichend abschalten. Für Logiktransistoren werden Übergangsmetall-Dichalkogenide mit Bandlücke wie MoS2 und WSe2 untersucht.
Ihre Oberflächen haben keine offenen Bindungen, und ihre Dicke ist auf atomarer Ebene gleichmäßig, sodass Streuung an der Oberflächenrauheit und Dickenschwankungen, wie sie bei ultradünnem Silizium auftreten, viel schwächer sind.
Der Kontaktwiderstand zu Metallen, die gleichmäßige Abscheidung von Gate-Dielektrika, großflächige defektarme Schichten, die p-Typ-Leistung und die Steuerung der Dotierung.
Übergangsmetall-Dichalkogenide wie MoS2 sind zweidimensionale Materialien, die schon als eine Lage aus drei Atomen (etwa 0,65 nm) Halbleitereigenschaften behalten.
Welches Merkmal von Materialien wie Molybdändisulfid (MoS2)…Erwartet wird eine Anwendung bei schadensempfindlicher Bearbeitung wie Verbindungshalbleitern, 2D-Materialien und feinsten GAA-Strukturen.
Welches im Forschungsstadium befindliche Ätzverfahren neutr…GAA (Gate-All-Around) Epitaktisches Wachstum (Epitaxie) GaAs (Galliumarsenid) SiC (Siliziumkarbid) Beweglichkeit (Mobilität) Plasma CFET (komplementärer FET) DTCO (Design-Technology-Co-Optimization) EOT (äquivalente Oxiddicke) FD-SOI (vollständig verarmtes SOI)