Two dimensional materials-based vertical heterojunction devices for electronics, optoelectronics and neuromorphic applications

Belete, Melkamu Adgo; Waser, Rainer; Lemme, Max C.

doi:10.18154/RWTH-2021-09736

Two dimensional materials-based vertical heterojunction devices for electronics, optoelectronics and neuromorphic applications

Belete, Melkamu Adgo^RWTH*

2021

Verantwortlichkeitsangabepresented by Melkamu Belete, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2021

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2021

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Lemme, Max C. (Thesis advisor)^RWTH* ; Waser, Rainer (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2021-07-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-09736
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/834237/files/834237.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (618710)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
photodetectors (frei) ; 2D materials (frei) ; MoS2 (frei) ; graphene (frei) ; heterostructures (frei) ; heterojunctions (frei) ; graphene base hot electron transistors (frei) ; photodetectors (frei) ; memristors (frei) ; electronics (frei) ; optoelectronics (frei) ; neuromorphic computing (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Der Fortschritt in der digitalen Mikroelektronik beruhte jahrzehntelang auf der klassischen Skalierungsphilosophie nach dem "Moore‘schen Gesetz". Eine Verlangsamung dieser unerbittlichen Skalierung der Bauteile ist aufgrund grundlegender physikalischer Grenzen jedoch unvermeidlich geworden. Dies führte zur Entwicklung einer neuen Strategie mit der Bezeichnung "More than Moore (MtM)", die auf die Diversifizierung der Funktionalität integrierter Schaltkreise abzielt, indem neuartige nicht-digitale (analoge) Anwendungen gefördert werden, wie z.B. Hochfrequenzelektronik (HF), Leistungsmanagementsysteme, Optoelektronik, Sensoren, mikro-/nano elektromechanische Systeme, Computersysteme der nächsten Generation usw. Diese Strategie erfordert neue Bauelementekonzepte und neuartige Materialien, die den herkömmlichen überlegen sind. Neuartige zweidimensionale (2D) Materialien wie Graphen und Molybdändisulfid (MoS2) sind aufgrund ihrer einzigartigen strukturellen, elektrischen und optischen Eigenschaften für MtM-Anwendungen geeignet. Im Einklang mit den MtM-Zielen werden in dieser Arbeit vertikale hybride Bauelemente auf der Basis von Graphen, MoS2 und deren Heterostrukturen untersucht, die auf konventionellem 3D-Silizium(Si) integriert werden, um Anwendungen in der HF-Elektronik, Optoelektronik und im neuromorphen Computing zu ermöglichen. Die hier verwendeten Herstellungsverfahren sind skalierbar und mit der Halbleiterprozesstechnologie kompatibel. Der wichtigste Meilenstein in dieser Arbeit war die Untersuchung des Potenzials von MoS2 als Emitterdiode von Heißen Ladungsträger Transistoren (GBTs) auf Graphenbasis. GBTs sind vielversprechende Bauelemente für analoge Hochgeschwindigkeitselektronik und haben eine vertikale Architektur, die einen Si-Emitter, eine Graphen-Basis und einen Metall-Kollektor umfasst, die jeweils durch eine dünne Barriere isoliert sind. Die Maximierung der Leistungsfähigkeit von GBTs erfordert eine effiziente Injektion heißer Elektronen über die Emitter-Basis-Grenze. Die Theorie legt nahe, dass dies durch die Verwendung von halbleitenden Barrierematerialien erreicht werden kann, die niedrige Energiebarrieren bilden, um die thermionische Emission zu fördern. MoS2 ist in dieser Hinsicht ein guter Kandidat, da es ein halbleitendes Verhalten mit einer Bandlücke und Elektronenaffinitätswerten aufweist, die zu kleinen Barrieren zum Si-Emitter führen. Daher wurden vertikale Si/MoS2/Metall-Heteroübergangs-Bauelemente mit Hilfe von Kapazitätsspannungs- (C-V) und Leitwertspannungs-Techniken (G-V) untersucht. Die statische Dielektrizitätskonstante vonMoS2 wurde aus den gemessenen C-V-Daten ermittelt. Messungen unter elektrischer Feldbelastung, verifiziert durch analytische Simulationen, haben Grenzflächenzustände und mobile negative Ionen inMoS2 nachgewiesen. Diese Beobachtung wurde außerdem durch eine Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektroskopie Analyse unterstützt, die Hydroxyl-Ionen (OH-) zeigte, die möglicherweise aus der katalytischen Wasserspaltung durchMoS2 stammen. Darüber hinaus zeigen Untersuchungen mittels Transmissionselektronenmikroskopie die strukturellen Eigenschaften des Films, einschließlich seiner Polykristallinität mit vertikal ausgerichteten Schichten. Anschließend wurden die Eigenschaften des Ladungsträgertransports in vertikalen "n+-Si/MoS2/Graphen" Heteroübergangsdioden analog zu den Emitterdioden von GBTs untersucht. Analysen der gemessenen temperaturabhängigen I-U-Daten bestätigten in Verbindung mit analytischen Modellen, dass der Elektronentransport über die n+-Si/MoS2 Heteroübergangsbarriere durch thermionische Emission dominiert wird. Damit sind die Voraussetzungen für die Verwendung von MoS2 als Emissionsbarriere von GBTs erfüllt. Die Arbeit umfasst auch Experimente zu den vertikalen "Si/MoS2/Metall" Heteroübergängen für das memristive Schalten. Die Charakterisierung der statischen (DC) Strom-Spannungs-Kennlinien (I-V) und des Schaltverhaltens des Widerstands (RS), einschließlich Ausdauer- und Zustandsbeibehaltungstests, weist die memristive Funktionalität der Bauelemente nach. Die Schalttests zeigen ein bipolares und nichtflüchtiges RS-Verhalten mit vielversprechender Haltbarkeit und Zustandserhaltung für mindestens 140 DC-Schaltzyklen bzw. 2500 Sekunden. Kontrollierte C-V-, G-V- und Messungen des Schaltverhaltens unter Umgebungs- und Vakuumbedingungen, die durch analytische Simulationen unterstützt wurden, legen nahe, dass das beobachtete RS-Verhalten auf durch elektrische Felder angetriebene Bewegungen der mobilen OH¡-Ionen entlang dervertikalenMoS2-Schichten und deren Einfluss auf die Potenzialbarriere an der Si/MoS2-Grenzfläche zurückzuführen ist. Elektrooptische Charakterisierungen, wie beispielsweise I-V Messungen mit und ohne Weißlichtbeleuchtung und Messungen der spektralen Empfindlichkeit (SR), weisen eine breitbandige optische Empfindlichkeit von vertikalen "n+-Si/MoS2/Graphen" Heteroübergangsdioden nach. Die SR-Daten weisen mehrere Peaks im ultravioletten und sicht- baren Bereich auf, was darauf hindeutet, dass der gemessene Photostrom hauptsächlich auf Anregungen im MoS2 zurückzuführen ist. Darüber hinaus wird bei Energien unterhalb der Si- und MoS2-Bandlücken eine Reaktion im Infrarotbereich beobachtet. Dies kann auf Absorption im Graphen und/oder Zwischenschichtübergänge in einer gestaffelten Bandanordnung oder auf Absorption über Zustände in der MoS2-Bandlücke zurückgeführt werden. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Arbeiten und Ergebnisse dieser Dissertation als Leitfaden für die Integration von 2D-Materialien und deren Heterostrukturen in die bestehende Si-Plattform dienen können, um hybride Heteroübergangs-Bauelemente für potenzielle elektronische, optoelektronische und neuromorphe Anwendungen zu schaffen.

Advancement of digital microelectronics relied for decades on the classical scaling philosophy guided by the famous evolutionary trend known as “Moore’s law”. However, a slowdown of this relentless device scaling is becoming inevitable due to fundamental physical limits. This led to the rise of a new strategy called “more than Moore (MtM)” that targets on integrated circuit functionality diversification by promoting novel non-digital (analog) applications such as radio-frequency (RF) electronics, power management systems, optoelectronics, sensors, micro/nano electromechanical systems, next generation computing systems, etc. This strategy requires new device concepts and novel materials outperforming conventional ones. Novel two-dimensional (2D) materials such as graphene and molybdenum disulfide (MoS2) are suit- able for MtM applications due to their unique structural, electrical and optical properties. In line with the MtM goals, this thesis investigates vertical hybrid devices based on graphene, MoS2 and their heterostruc- tures integrated into conventional 3D silicon (Si) for applications to- ward RF electronics, optoelectronics and neuromorphic computing. The fabrication schemes used here are scalable and semiconductor process technology compatible. The primary milestone in this thesis has been the investigation of the potential of MoS2 as the emitter diode of graphene-base hot electron transistors (GBTs). GBTs are promising devices for high-speed analog electronics and they have a vertical architecture comprising a Si-emitter, a graphene-base and a metal-collector, each isolated by a thin barrier. Maximizing the performance of GBTs requires efficient hot-electron injection across the emitter-base-barrier. Theory suggests that this can be realized by using semiconducting barrier materials that form low energy barriers to promote thermionic emission. MoS2 is a good candidate in this regard owing to its semiconducting behavior with a bandgap and electron affinity values enabling band alignments providing a small barrier with respect to the Si-emitter. Hence, “Si/MoS2 using capacitance-voltage (C-V) and conductance-voltage (G-V) techniques. The static dielectric constant of MoS2 is obtained from the measured C- V data. Measurements under electric-field stress, verified by analytical simulations, have indicated the presence of interface states and mo- bile negative ions in MoS2. This observation was further supported by time-of-flight secondary ion mass spectroscopy analysis that showed hydroxyl ions (OH−) possibly originating from catalytic water splitting by MoS2. Furthermore, transmission electron microscopy studies reveal the structural properties of the film including its polycystallinity with vertically aligned layers. Next, charge carrier transport proper- ties were investigated across “n+-Si/MoS2/Graphene” vertical heterojunction diodes analogous to the emitter diodes of GBTs. Analyses of the measured temperature dependent I-V data in corroboration with analytical models confirmed that the electron transport across the n+- Si/MoS2 heterojunction barrier is dominated by thermionic emission. This fulfils the prerequisites for using MoS2 as the emission barrier of GBTs.The thesis also includes experiments on the “Si/MoS2/Metal” vertical heterojunctions for memristive switching. Static (DC) current-voltage (I-V) and resistive switching (RS) characterizations including endurance and state-retention tests demonstrate the memristive functionality of the devices. The switching tests exhibit a bipolar and nonvolatile RS behavior with encouraging endurance and state retention for at least 140 DC switching cycles and 2500 seconds, respectively. Controlled C-V, G-V and switching measurements in ambient and vacuum conditions, elucidated by analytical simulations, suggest that the observed RS behavior is due to electric field-driven movements of the mobile OH- ions along the vertical MoS2 layers and their influence on the potential barrier at the Si/MoS2 interface. In addition, electro-optical characterizations, in particular I-V measurements with and without white light illumination and spectral responsivity (SR) measurements, were carried out on vertical “n+-Si/MoS2/Graphene” heterojunction diodes, which exhibit broadband optical sensitivity. The SR data feature multiple peaks in the ultraviolet and visible regions indicating that the measured photocurrent is mainly due to excitations in the MoS2. In addition, an infrared response is observed for energies below the Si and MoS2 bandgaps. This may be attributed to absorption in the graphene and/or inter-layer transitions in a staggered band alignment or absorptions via midgap states in the MoS2 bandgap. In conclusion, the work and findings in this thesis can serve as a guideline for integrating 2D materials and their heterostructures into the existing Si platform to create hybrid heterojunction devices for potential electronic, optoelectronic and neuromorphic applications.

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