Isolatoren für 2D-Nano­elektronik: die Lücke zu überbrücken

Ein Übersichtsartikel über eines der heikelsten Themen der zukünftigen Elektronik auf der Grundlage von 2D-Materialien.

Ein Team von Wissenschaftlern unter der Leitung von Tibor Grasser und Yuri Illarionov von der TU Wien, darunter der RWTH-Professor und AMO-Direktor Max Lemme, hat einen ausführlichen Review über die aktuelle Suche nach geeigneten Isolatoren für zweidimensionale (2D) Nanoelektronik in Nature Communications veröffentlicht.

Isolatoren spielen eine entscheidende, aber oft vergessene Rolle in elektronischen Geräten. Die Leistung und Zuverlässigkeit von Feldeffekttransistoren (FETs) und anderen elektronischen Geräten hängt entscheidend von der Qualität des Isolators ab, der die Gate-Elektrode vom Transistorkanal trennt, und von der Grenzfläche, die der Isolator mit dem Kanal bildet. Dies wurde sehr deutlich, als die Halbleiterindustrie nach einer Lösung suchte, um das Standard-Siliziumdioxid durch neuartige „High-k“-Dielektrika zu ersetzen, die eine weitere Skalierung nach dem Mooreschen Gesetz ermöglichen würden. Jahrelange Forschung und Millionen von Euro wurden aufgewendet, um den Gate-Isolator „im Herzen des Transistors“ zu ändern.

Auf dem Gebiet der 2D-Materialien haben sich viele Untersuchungen auf die physikalischen und elektrischen Eigenschaften der 2D-Materialien konzentriert, die den Kanal des Transistors bilden. Nichtsdestotrotz steht dieser Bereich letztendlich vor den gleichen Herausforderungen wie konventionelle Halbleiter. Theoretische Berechnungen sagen hervorragende Eigenschaften für Bauelemente voraus, die aus 2D-Halbleitern wie MoS2 und anderen Übergangsmetall-Dichalcogeniden (z.B. MoSe2, MoTe2, WS2, WSe2) oder schwarzem Phosphor hergestellt werden.

Die bisher realisierten Bauelemente leiden jedoch häufig unter nicht konkurrierenden Ladungsträgermobilitäten, Unterschwellenschwankungen und Driften wichtiger Bauelementparameter, die durch die verwendeten Gate-Isolatoren entstehen. Das Ergebnis ist, dass es bis heute keine kommerziell wettbewerbsfähige 2D-Transistortechnologie gibt.
„Bereits 2006 schrieb ich in einem Antrag, dass der wichtigste Aspekt für die Verwendbarkeit von Graphen in elektrischen Geräten die Möglichkeit der Passivierung ist, und das gilt auch heute immer noch“, sagt Max Lemme. „Tatsächlich muss diese Aussage nun auf andere 2D-Materialien ausgedehnt werden. Wir müssen geeignete Isolatoren finden, die es ermöglichen, die ursprünglichen elektrischen Eigenschaften der 2D-Materialien auch nach dem Versiegeln mit einer Isolierschicht beizubehalten“.

Der Bericht stellt den aktuellen Stand der Technik in Bezug auf Gate-Isolatoren für 2D-Technologien vor und diskutiert Strategien zur weiteren Verbesserung der Leistung von 2D-Geräten – wie die Schaffung sauberer Schnittstellen, die Herstellung nativer Oxide aus 2D-Halbleitern und intensivere Studien über kristalline Isolatoren. Während der Schwerpunkt der Überprüfung auf Standard-2D-FETs liegt, sind die angesprochenen Probleme auch für alternative Bauelementetechnologien, wie Tunnel-FETs, ferroelektrische FETs, Transistoren mit negativer Kapazität und analoge Feldeffekt-Bauelemente (z.B. Fotodetektoren und Biosensoren) direkt relevant.

„Die Lösung der Suche nach einem geeigneten Isolator wird für die kommerzielle Akzeptanz jeder halbleiterbezogenen Anwendung von 2D-Materialien, sei es in der Elektronik, Photonik oder Sensorik, entscheidend sein“, sagt Lemme. „Wir werden dieses Thema daher in der bevorstehenden, von der Europäischen Kommission finanzierten 2D Experimental Pilot Linie des Graphene-Flaggschiffs behandeln“.

Bibliographische Angaben:
“Insulators for 2D nanoelectronics: the gap to bridge”
Y. Y. Illarionov, T. Knobloch, M. Jech, M. Lanza, D. Akinwande, M. Vexler, T. Mueller, M. C. Lemme, G. Fiori, F. Schwierz & T. Grasser, Nat Commun 11, 3385 (2020).
https://doi.org/10.1038/s41467-020-16640-8
Kontakt:
Prof. Max C. Lemme
lemme@amo.de