Projects Details

Semiconductor/Fluoride Structures on Si for 2D Electronics

  
Project Number I5296-N   
Principal Investigator Tibor Grasser
Scientists/Scholars Mina Bahrami
Mauro Borghi
Nils Petter Jorstad
Pedram Khakbaz
Theresia Knobloch
Wilton Jaciel Loch
Bibhas Manna
Seyedmahdi Sattari
Scientific Fields Fundamental Research 100%
Keywords 2D Materialien, Halbleiterbauelemente, Isolatoren, Skalierung, Characterisierung, Modellierung
Approval Date 26. September 2021
Start of Project 1. January 2022
Additional Information Entry in FWF Database

Kurzfassung

Siliziumtechnologie ist heute allgegenwärtig, angefangen bei Telefonen und anderen Geräten für dentäglichen Gebrauch, bis hin zu extrem leistungsstarken Supercomputern und Serverfarmen. Derbeeindruckende Erfolg der Siliziumtechnologie in den letzten 50 Jahren beruhte auf der Skalierung, d.h.auf der kontinuierlichen Verkleinerung der Bauelemente von Generation zu Generation, um sieerschwinglicher und schneller zu machen. Halbleiterbauelemente bestehen in der Regel aus gestapeltenisolierenden und halbleitenden Schichten. In diesen skalierten Bauelementen sind einige Schichten nurnoch wenige Atome dünn und lassen sich deshalb nur schwer weiter skalieren. Außerdem haben dieseSchichten unterschiedliche Gitterkonstanten, was es schwierig macht, sie zu stapeln, ohne Probleme inden Übergangsbereich herauszufordern.

Eine vielversprechende Lösung ist die Verwendung von 2D-Materialien. Hierbei handelt es sich atomardünne Materialien, die nur in einer zweidimensionalen Ebene chemische Bindungen eingehen und in derdritten Dimension durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Theoretisch können dieseMaterialien beliebig gestapelt werden, ohne dass Gitterfehlanpassungen befürchtet werden müssen,was zu sauberen Übergangsschichten und kristallinen Materialstapeln führt. In der Praxis gibt es jedochviele Herausforderungen gerade in Bezug auf die Herstellung. Derzeit werden verschiedene alternativeOptionen in Betracht gezogen. Bis jetzt gelang es aber noch nicht mit diesen konkurrenzfähigeBauelemente herzustellen.

Wir haben kürzlich gezeigt, dass die Verwendung von Fluoriden als Isolatoren die Herstellung sehr stabiler und skalierbarer 2D-Bauelement erlaubt. Die Verwendung von Fluoriden hätte viele Vorteile, da es sich um ionische Kristalle mit geringer Defektdichte handelt, welche ausgezeichnete Isolatoren sind, ihre Wachstumsprozesse im Vergleich zu jedem anderen kristallinen Isolator für 2D-Technologien einigermaßen gut verstanden sind und vor allem da ihre inerte F-terminierte Oberfläche Van-der-Waals-Grenzflächen mit 2D-Materialien bildet.

In diesem Projekt werden die Eigenschaften von Fluoriden als ultraskalierte Isolatoren für 2D-Bauelemente theoretisch untersucht. Ihre Eigenschaften und ihre elektronische Struktur werden mithilfe von Ab-initio-Berechnungen bestimmt um danach ermitteln zu können, auf welche Dicke sie skaliert werden können, ohne dass es zu inakzeptablen Leckströmen kommt. Darüber hinaus werden die am wahrscheinlichsten auftretenden Punktdefekte bestimmt um deren Einfluss auf das Bauelementverhalten abschätzen zu können, wenn Fluoride mit typischerweise verwendeten 2D- Halbleitern wie MoS2 kombiniert werden. Unsere Berechnungen werden mit Back-Gate-Prototypenbauelementen, bestehend aus CaF2 auf Si-Substraten zusammen mit transferierten exfolierten 2D-Halbleiter, abgeglichen. Diese Berechnungen erlauben es uns abzuschätzen, welche Materialkombination zu der besten Bauelementleistung führt.

 

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