Two-dimensional semiconductor electronics

Abstract

Durch die immer dichter werdende Integration von Transistoren in Schaltkreisen gelang es sowohl deren Funktion, als auch Geschwindigkeit in kaum vorstellbarem Maße zu steigern. Da dieser Prozess jedoch irgendwann an seine physikalischen Grenzen stoßen wird, wird versucht Alternativen zum derzeit hauptsächlich verwendeten Silizium zu finden, welche eine weitere Miniaturisierung erlauben. 2D-Materialien, die in atomar dünnen, stabilen Schichten hergestellt werden können zeigen aufgrund ihrer geringen Dicke oft heraußragende Eigenschaften und stellen eine vielversprechende Alternative dar. Diese Arbeit handelt vom zweidimensionalen Halbleiter Molybden-disulfid (MoS2) und dessen Anwendungen in elektronischen Schaltkreisen. Ein simpler aber funktionierender Mikroprozessor auf Basis dieses Materials wurde entwickelt. Er besteht aus 115 Transistoren und kann benutzerdefinierte Programme ausführen. Weiters wird ein fundamentaler Baustein der Analogelektronik gezeigt, ein Operationsverstärker. Dieser wird sowohl für sich selbst, als auch in praxisnahen Rückkopplungsschaltungen charakterisiert. Durch die Anwendung in komplexen Schaltkreisen ist ein wichtiger Teil dieser Arbeit der Reduzierung der Variation von Transistorparametern gewidmet. Ein neues Dielektrikum das speziell in Kombination mit 2D-Materialien vielversprechende Eigenschaften zeigt, Kalzium-Fluorit (CaF2), wurde zur Herstellung von MoS2 Transistoren verwendet und charakterisiert. Diese Messungen zeigen deutliche Vorteile von CaF2 gegenüber klassischen Dielektrika wie SiO2 oder Al2O3.

Miniaturization of transistors allows has led to tremendous performance gains for digital electronics and has pushed the number of transistors into the billions per chip. However, at some point this miniaturization will hit its physical limit. Since the push for ever increasing processing power and new functionalities is unchanging, tremendous amounts of research are being conducted to find alternatives to silicon. One of the promising candidates might be seen in the rather new class of two-dimensional materials. Those materials are very stable in-plane, but the actual molecular planes can easily be separated and are stable. This ultimate thinness allows these materials to show often surprising mechanical, electrical or optical properties. The focus of this work lies on two-dimensional semiconductors, specifically molybednum-disulfide (MoS2) and its use in electronic circuits. It is used to implement a simple, but fully functional microprocessor that consists of 115 transistors and can execute simple user-defined programs. An operational amplifier, a fundamental part of analog electronics is also implemented and characterized in open loop and feedback configurations. As they are used for large scale circuits, a major part of this work also focuses on the uniformity and reliability of the transistors. Additionally, a new dielectric that is showing very promising results for the application in combination with 2D-materials, calcium-fluoride (CaF2), is used to fabricate MoS2 transistors. Characterization of these transistors shows clear advantages over traditional dielectrics like SiO2 or Al2O3.