Stabilität für die Zukunft zweidimensionaler Transistoren

Internationales Forschungsteam um RWTH-Professor Max Lemme veröffentlicht zu neuen Elektronik-Komponenten auf Basis von zweidimensionalen Materialien in Nature Electronics.

 

Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente der RWTH Aachen um Professor Max Lemme forschen in einem internationalen Team mit der Universität Wien und der Bergischen Universität Wuppertal sowie der Aachener AMO GmbH an neuen Elektronik-Komponenten. Die jüngsten Ergebnisse ihrer Forschungsarbeit hat das Team nun im Fachjournal Nature Electronics veröffentlicht.

Stabilität – im Sinne eines stabilen Betriebs über die gesamte Lebensdauer – ist eine der wichtigsten Eigenschaften, die ein elektronisches Bauelement aufweisen muss, um für Anwendungen geeignet zu sein. Und es ist die Achillesferse von Feldeffekttransistoren auf Basis von zweidimensionalen Materialien, die typischerweise eine viel schlechtere Stabilität aufweisen als Bauelemente auf Siliziumbasis. „Ein Aspekt, der bei der Forschung oft vernachlässigt wird, ist die Bauteilzuverlässigkeit. An genau diesem Punkt setzen wir seit einigen Jahren an, denn er wird für die Anwendung von zentraler Bedeutung sein“, erklärt Professor Max Lemme.

Die vorhandene Instabilität wird jedoch nicht nur durch 2D-Materialien selbst verursacht, sondern insbesondere durch Ladungen, die in dem Oxidisolator eingeschlossen sind, der zur Herstellung der Transistoren verwendet wird. „Am liebsten würde man einen anderen Isolator mit weniger Ladungsfallen verwenden“, sagt Lemme, „aber dafür gibt noch keine skalierbaren Lösungen. In unserer Arbeit haben wir stattdessen gezeigt, dass es möglich ist, einen Standardisolator wie Aluminiumoxid zu verwenden und durch Einstellen der Ladungsträgerdichte im 2D-Material die nachteiligen Auswirkungen der Ladungsfallen im Oxid deutlich zu unterdrücken.“

Die Arbeit kombiniert eine gründliche theoretische Analyse des neuartigen Ansatzes – von den Autoren als „stabilitätsbasiertes Design“ bezeichnet – und eine grundlegende Demonstration des Konzepts durch elektrische Messungen an verschiedenen Arten von Graphen-Transistoren.

Kerngedanke des Ansatzes ist es, die Kombination 2D-Material/Isolator so zu konstruieren, dass die Energie der Ladungsfallen im Isolator möglichst verschieden von der der Ladungsträger im 2D-Material ist. „Graphenbasierte Transistoren waren die ideale Testumgebung für unseren Ansatz, da es relativ einfach ist, die Energie von Ladungsträgern in Graphen einzustellen. Der Ansatz ist jedoch prinzipiell auf alle Transistoren anwendbar, die auf 2D-Halbleitern basieren“, erklärt Professor Lemme. Diese Ergebnisse stellen einen großen Schritt in Richtung stabiler und zuverlässiger Transistoren aus 2D-Materialien dar, die in die Halbleitertechnologie integriert werden sollen.

Zu den Publikationen