Under de senaste åren har elektronikingenjörer försökt konstruera alltmer sofistikerade transistorer som kan skalas ned till mindre storlekar. Med tanke på begränsningarna hos konventionella kiselbaserade fälteffekttransistorer (FET) har vissa team experimenterat med alternativa konstruktioner baserade på material med högre elektronrörlighet.
Övergångsmetalldikalkogenider (TMD) är bland de mest lovande materialen för utveckling av skalbara FET:er, tack vare sin lilla längd och goda bärarrörlighet. Ett av dessa material är molybdendisulfid (MoS2), en förening som består av molybden- och sulfidatomer i förhållandet 1:2.
Forskare vid Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT) och Seoul National University har nyligen demonstrerat integration av MoS2-transistorer på en 200 mm wafer. Deras artikel, som publiceras i Nature Electronics, visar på skalbarheten hos transistorer baserade på MoS2, vilket belyser deras potential för framtida utveckling av mindre och flexibla enheter.
”Tvådimensionella halvledare är ett attraktivt material för tillverkning av tunnfilmstransistorer på grund av deras skalbarhet, överförbarhet, atomära tjocklek och relativt höga bärarmobilitet”, skriver Junyoung Kwon, Minsu Seol och deras kollegor.
”Det finns dock ett gap i prestanda mellan demonstrationer av enskilda enheter, som vanligtvis använder enkristallina tvådimensionella filmer, och enheter som kan integreras i stor skala med hjälp av industriella metoder. Vi rapporterar om integration av polykristallina MoS2-fälteffekttransistorer i 200 mm wafer-skala.”
Teamet tillverkade först storskaliga matriser av MoS2 FETs med hjälp av en teknik som kallas MOCVD (metal-organic chemical vapor deposition). Teamet lyckades eliminera den s.k. Schottky-barriären vid gränssnittet mellan MoS2-materialet och metall, vilket förbättrade FET:ernas bärarmobilitet.
Framför allt är tillverkningsstrategin som de använde kompatibel med nuvarande processer som används för att tillverka elektronik. Faktum är att forskarna bearbetade sina FET:er på en kommersiell anläggning och uppnådde ett utbyte på över 99,9%.
”Vi finner att metall-halvledarkorsningen i polykristallin MoS2 är fundamentalt annorlunda än dess enkristallina motsvarighet, och därför omformar vi processflödet för att nästan eliminera Schottky-barriärhöjden vid metall-MoS2-kontakten”, skrev forskarna i sin artikel.
”De resulterande MoS2 FETs uppvisar mobiliteter på 21 cm2 V-1 s-1, kontaktmotstånd på 3,8 kΩ µm och on-current densiteter på 120 µA µm-1, vilket liknar de som uppnås med enkristallina fakes.”
I de inledande testerna uppnådde de FET:er som designats och tillverkats av forskargruppen mycket lovande resultat och överträffade andra tidigare introducerade FET:er baserade på MoS2 när det gäller fälteffektrörlighet, kontaktmotstånd och genomströmningstäthet. Teamet tillskrev FET:ernas anmärkningsvärda prestanda till de nya tillverkningssteg som de introducerade, vilket eliminerade Schottky-barriären vid MoS2/metall-gränssnittet och minskade kontaktmotståndet.
Dessutom identifierade teamet olika faktorer som kan bidra till de rapporterade skillnaderna mellan deras enheters prestanda och utbyte jämfört med tidigare utvecklade MoS2-FET:er. Dessa inkluderar avsaknad av föroreningar på kontakten och förhindrande av att MoS2-material skalas av.
När forskarna integrerade sina FET:ar på en 200 mm wafer fann de att de var enhetliga och endast uppvisade små variationer mellan olika die:ar. Dessutom visade de att det är möjligt att på ett tillförlitligt sätt tillverka deras FET:er i befintliga industrianläggningar.
I framtiden skulle deras studie kunna inspirera andra team att experimentera med liknande FET-design och tillverkningsprocesser. I slutändan skulle detta kunna underlätta utvecklingen och den storskaliga kommersialiseringen av högpresterande transistorer baserade på MoS2.
Ytterligare information: Junyoung Kwon et al, 200-mm-wafer-scale integration of polycrystalline molybdenum disulfide transistors, Nature Electronics (2024). DOI: 10.1038/s41928-024-01158-4.
