Zusammenfassung

Gemäß des Moorschen Gesetzes steht die weitere Skalierung von konventionellen Si MOSFETs kurz vor einer fundamentalen Grenze. Der Forschungsschwerpunkt verschiebt sich daher immer weiter in Richtung Transistortechnologien, welche auf 2D Materialen basieren. Obwohl diese Technologien grundlegend verschieden sind, bleibt die Analyse der Zuverlässigkeit beider Bauteile ein essentieller Bestandteil der Forschung. Allerdings ändert sich durch die unterschiedlichen Bauteilabmessungen die Beschreibung der Degradationsprozesse. Während bei modernen Si MOSFETs im Nanometerberich diskrete Defekte das Verhalten dominieren, beeinflusst ein kontinuerliches Defektspektrum die Funktionalität von 2D FETs mit Kanallängen im Mikrometerbereich.

In diesem Kontext befasst sich die vorliegende Dissertation mit der Charakterisierung der Zuverlässigkeit beider Technologien, state-of-the-art SI MOSFETs sowie Graphene- und Molybdän Disulfid- (MoS2) FETs.

Im ersten Teil dieser Arbeit analysieren wir den Einfluss diskreter geladender Defekte und zufällig verteilten Dopanden auf das Verhalten von Si MOSFETs im Nanometerbereich. Mit Hilfe von TCAD Simulationen entwicklen wir eine präzise Methode die laterale Position eines Defektes aus TDDS (time-dependent defect spectroscopy) Experimenten zu extrahieren. Durch die Berücksichtigung von random dopants bewegt sich die Unsicherheit dieser Technik im Bereich weniger Prozente der Kanallänge.

Als nächstes richten wir unsere Aufmerksamkeit auf Graphen-FETs und untersuchen deren Zuverlässigkeit bezüglich Bias Temperature Instabilities (BTI) und Hot Carrier Degradation (HCD). Unsere Analyse zeigt, dass das dynamische Verhalten von BTI und HCD größtenteils durch bestehende, Silizium basierte, Modelle korrekt wiedergeben werden kann. Weiteres wird deutlich, dass die Wechselwirkung zwischen HCD und BTI zu einem nicht-trivialen Verhalten führen kann. Abhängig von den Bias Bedingungen kann HCD in Graphen-FETs den Effekt von BTI verstärken oder unterdrücken. In machen Fällen führt dies zu einer komplexen Korrelation zwischen geladener Defektdichte und Ladungsträgermobilität.

Im letzten Kapitel beschäftigen wir uns mit einer zweiten, in digitalen Schaltungen gebräuchlicheren, Art von 2D-FETs, MoS2-FETs. Bei der Analyse des Hysterese- und BTI-Verhaltens stellt sich heraus dass diese Bauteile stabiler als ihre Graphene Pendants sind. Darüber hinaus zeigen wir dass der Einsatz von hexagonalem Bornitrid als Gateisolator die Zuverlässigkeit von MoS2-FETs maßgeblich verbessert, speziell bei niedrigen Temperaturen. Mittels modernen Simulationssoftware, entwickelt für Si MOSFETs, erbringen wir schließlich den positiven Machbarkeitsbeweis MoS2-FETs hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit zu modellieren.

Die Resultate dieser Arbeit erlauben ein allgemeines Verständnis und ersten Einblick in das Degradationsverhalten von 2D FETs. Um diese Strukturen allerdings in bestehende Schaltungen zu integrieren muss sowohl die Skalierung der Bauteile als auch die Technologie drastisch verbessert werden. Dadurch wird, analog zu modernen Si MOSFETs, der Einfluss von einzelnen Defekten die Funktionalität dominieren. Es ist daher zu erwarten dass sowohl unsere Methode zur Bestimmung der lateralen Defektposition als auch die vorgestellten Modelle bei zukünftigen 2D Technologien zum Einsatz kommen.