Gelaagde materialen die stabiel blijven bij een dikte van één tot enkele atoomlagen. Halfgeleiders zoals MoS2 kunnen extreem dunne kanalen vormen die met silicium moeilijk zijn, en worden daarom onderzocht voor toekomstige, sterk verkleinde transistors.
Japanse benaming: 2次元材料
“2D-materialen” komt voor in 3 oefenvragen uit 3 onderwerpen, bijv. Epitaxiale groei, Geavanceerde transistoren (FinFET, GAA), Etsen.
Vakgebied: Geavanceerde transistoren (FinFET, GAA)
2D-materialen zijn één of enkele lagen uit gelaagde kristallen waarin de atomen binnen elk vlak sterk covalent gebonden zijn, terwijl de vlakken door zwakke vanderwaalskrachten bijeen worden gehouden. Typische voorbeelden zijn grafeen (koolstof), hexagonaal boornitride (hBN, een isolator) en de halfgeleidende overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's). TMD's combineren een overgangsmetaal zoals molybdeen of wolfraam met een chalcogeen zoals zwavel of seleen; één laag MoS2 is ongeveer 0,65 nm dik. Grafeen heeft geen bandgap, dus TMD's zijn de belangrijkste kandidaten voor transistorkanalen.
Om het korte-kanaaleffect te onderdrukken is een kanaal nodig dat dun is in vergelijking met de gatelengte. Wanneer silicium dunner wordt gemaakt dan enkele nanometers, verlaagt verstrooiing aan de oppervlakteruwheid de mobiliteit sterk, en verschuiven kleine diktevariaties de drempelspanning. 2D-materialen hebben geen dangling bonds aan hun oppervlak en hun laagdikte ligt vast door het materiaal, zodat ze zelfs onder 1 nm halfgeleidend blijven. Ze zijn daarom kandidaten om de kanalen van nanosheet-GAA en CFET nog dunner te maken, waarbij MoS2 wordt onderzocht voor n-type- en WSe2 voor p-typecomponenten.
Een hoge contactweerstand met metalen elektroden was een groot probleem voor transistors van 2D-materialen. In 2021 meldden onderzoekers van onder meer MIT, TSMC en National Taiwan University dat halfmetallische bismutcontacten de contactweerstand met MoS2 van één laag sterk verlagen. Het ontbreken van dangling bonds werkt daarentegen tegen bij het vormen van het gatediëlektricum: precursors voor atomic layer deposition (ALD) adsorberen slecht aan het oppervlak, zodat high-k-films niet gelijkmatig groeien; kiemlagen en andere technieken worden onderzocht.
Gelijkmatige, defectarme enkele lagen over een hele wafel van 300 mm vormen is nog moeilijk, en wanneer films die bij hoge temperatuur op een ander substraat zijn gegroeid worden overgebracht, worden plooien, verontreiniging en scheuren problemen. Goede p-typeprestaties halen en de geleiding met dotering regelen zoals bij silicium zijn ook uitdagingen. In het midden van de jaren 2020 worden kanalen van 2D-materialen onderzocht voor generaties na de silicium-nanosheet.
Antwoord: A. Remote epitaxy
Bij remote epitaxy wordt het substraat bedekt met grafeen van 1 tot 2 atoomlagen en groeit daarop een kristal. Omdat grafeen dun genoeg is, lekt de potentiaal van de substraatatomen erdoorheen en wordt de kristalinformatie van het substraat doorgegeven, zodat een monokristal wordt verkregen, terwijl film en substraat geen chemische binding aangaan; de gegroeide film kan daardoor gemakkelijk met bijvoorbeeld tape worden losgemaakt en het substraat kan worden hergebruikt. Men verwacht toepassingen in het hergebruik van dure GaAs- en SiC-substraten en in buigbare componenten.
Grafeen heeft geen bandgap, dus een gatespanning kan de stroom niet goed genoeg afknijpen. Voor logische transistors worden overgangsmetaaldichalcogeniden met een bandgap, zoals MoS2 en WSe2, onderzocht.
Hun oppervlak heeft geen dangling bonds en hun dikte is op atomair niveau gelijkmatig, zodat de verstrooiing aan oppervlakteruwheid en de diktevariatie die bij ultradun silicium optreden, veel zwakker zijn.
De contactweerstand met metalen, de gelijkmatige depositie van gatediëlektrica, defectarme films over grote oppervlakken, de p-typeprestaties en de beheersing van dotering.
Overgangsmetaaldichalcogeniden zoals MoS2 zijn 2D-materialen die zelfs als enkele laag ter dikte van drie atomen (circa 0,65 nm) halfgeleidereigenschappen behouden.
Welke uitspraak over de kenmerken van materialen zoals moly…Men verwacht toepassingen bij schadegevoelige bewerkingen zoals samengestelde halfgeleiders, 2D-materialen en de zeer fijne structuren van GAA.
Welke etsmethode in onderzoeksfase neutraliseert in plasma …GAA (gate-all-around) GaAs (galliumarsenide) SiC (siliciumcarbide) Mobiliteit Plasma CFET (complementaire FET) DTCO (design-technology co-optimization) EOT (equivalente oxidedikte) FD-SOI (fully depleted SOI) FinFET