2D materials technology for RF integrated electronics

Reato, Eros; Negra, Renato; Lemme, Max C.

doi:HT030942323

2D materials technology for RF integrated electronics = 2D-Materialien für integrierte RF-Elektronik

Reato, Eros^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Eros Reato, M.Sc.

ImpressumAachen : RWTH Aachen University 2024

Umfang1 Online-Ressource : Illustrationen

Dissertation, Rheinisch-Westfälische Technische Hochschule Aachen, 2024

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2025

Genehmigende Fakultät
Fak06

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

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-00435
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1002257/files/1002257.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (618710)

Projekte

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
MoS2 (frei) ; TMDC (frei) ; flexible electronics (frei) ; integration (frei) ; radio-frequency (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Flexible Elektronik ist ein vielversprechendes Forschungsgebiet, dessen Potenzial in den letzten Jahren erforscht wurde. Die technologischen Vorteile, die eine voll entwickelte flexible Elektronikindustrie mit sich bringen kann, sind enorm und reichen von kleinen, vernetzten und leichten tragbaren Geräten bis hin zu flexiblen Displays und Batterien. Zu den Materialien, die sich für solche Anwendungen eignen, gehören organische Halbleiter, Graphen und andere 2D-Materialien. Das halbleitende Übergangsmetall-Dichalcogenid MoS\textsubscript{2} spielt aufgrund seiner hervorragenden mechanischen Festigkeit und Flexibilität eine wichtige Rolle. In diesem Zusammenhang sind MoS\textsubscript{2}-Schichten, die durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) aufgewachsen sind, im Vergleich zu mechanisch abgelösten Flocken von besonderem Interesse, da diese Technik eine Produktion in großem Maßstab ermöglicht. Um dies zu erreichen, müssen neue Verfahren und Charakterisierungsroutinen entwickelt werden, um das Potenzial der neuen Materialien auf den neuen Substraten voll auszuschöpfen. Einige der Charakterisierungsmethoden, die zur Untersuchung der Qualität von Standard-Siliziumbauteilen verwendet werden, sind noch nicht vollständig bekannt und müssen für die Charakterisierung und Modellierung der neuen Materialien weiterentwickelt werden.\quad Das Ziel dieser Dissertation ist es, die Machbarkeit flexibler, auf 2D-Materialien basierender Hochfrequenz-Bauelemente und -Schaltungen zu demonstrieren. Eine grundlegende Voraussetzung für dieses Ziel ist die Herstellung von Hochleistungsbauteilen und die Entwicklung von Integrationsstrategien, die die Realisierung komplexer Schaltungen ermöglichen. Darüber hinaus wird die sorgfältige Charakterisierung von MoS\textsubscript{2}, seine Beziehung zur dielektrischen Umgebung und das daraus resultierende Verständnis der physikalischen Phänomene aufgrund von Defekten und intrinsischen Materialeigenschaften als grundlegender Schritt zur Entwicklung optimierter Bauelemente angestrebt. Dieses Ziel wurde durch die Entwicklung eines neuen theoretischen Modells für die Analyse elektrischer Messungen und durch die experimentelle Herstellung und Charakterisierung von Prototyp-Bauelementen und -Schaltungen in Gleichstrom und Hochfrequenz verfolgt.\quad In dieser Dissertation werden hochfrequenzflexible MoS\textsubscript{2}-basierte Feldeffekttransistoren (FETs) und Schaltungen, die im \SI{}{\giga\hertz}-Bereich arbeiten, auf flexiblen Substraten hergestellt und charakterisiert. Die in dieser Arbeit verwendeten MoS\textsubscript{2}-Materialien sind ausschließlich CVD-Materialien, während die Metalle und Oxide mit skalierbarer Prozesstechnologie abgeschieden werden. Die Herstellung und Analyse von Teststrukturen mit Hilfe elektrischer, optischer und physikalischer Messtechniken ermöglichte die Modellierung der elektrischen Beziehungen zwischen dem MoS\textsubscript{2}-Kanalmaterial und dem Gateoxid. \textbf{Das neue Modell ermöglichte zusammen mit Admittanzmessungen die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen dem MoS\textsubscript{2} und seiner umgebenden dielektrischen Umgebung.} Dies ermöglichte ein tieferes Verständnis der Ladungseinfangphänomene und ist ein mächtiges Werkzeug, um die Auswirkungen der Abscheidung der Dielektrika in den Herstellungsprozessen von 2D-basierten FETs zu bewerten. Die Ergebnisse dieser Studie wurden u. a. auf dem Silicon Nanoelectronics Workshop 2021 (mündlich, online) und mit einem Poster auf der 53\textsuperscript{rd} Semiconductor Interface Specialists Conference (2022) in San Diego, CA, USA, vorgestellt. Diese Arbeit wurde peer-reviewed und wird in 2025 einer Fachzeitschrift veröffentlicht (IEEE Transactions on Electron Devices)\par Die Eignung von MoS\textsubscript{2} für Hochfrequenzanwendungen wurde durch die Herstellung von HF-Bauelementen auf einem flexiblen Polyimid (PI)-Substrat demonstriert, wobei Mono- und Multilayer-MoS\textsubscript{2} als Kanalmaterialien verglichen wurden. Die Bauelemente wurden in DC und RF charakterisiert und zeigten maximale $f_\text{t}$ und $f_\text{max}$ von \SI{57.7}{\mega\hertz} und \SI{236.6}{\mega\hertz}. Die Bauelemente wurden anschließend in einer Leistungsdetektor-Schaltungskonfiguration getestet, wodurch \textbf{der bisher erste Leistungsdetektor auf Basis von MoS\textsubscript{2} realisiert wurde}. Die Detektoren haben hohe Empfindlichkeiten bis zu \SI{134}{\watt\per\volt} bei \SI{11}{\giga\hertz} für das mehrlagige MoS\textsubscript{2} und \SI{49}{\watt\per\volt} bei \SI{21}{\giga\hertz} für das einlagige Material. Die Ergebnisse wurden u.a. auf der Graphen-Konferenz 2022 in Aachen vorgestellt (mündlich) und in einer Fachzeitschrift veröffentlicht (Advanced Materials, gleicher Beitrag).Die Nanoskalige Fertigung bietet eine Verbesserung der HF-Leistung, die durch die erfolgreiche Integration der Elektronenstrahllithografie (EBL) mit flexiblen Substraten erreicht wird, wobei die Halbleiterkanäle bis in den Nanometerbereich skaliert werden. Obwohl EBL kein Standardverfahren für die Halbleiterherstellung ist, wurde es zur Erforschung des Potenzials von Bauelementen im Nanomaßstab eingesetzt. \textbf{Die Verbesserung der HF-Leistung beträgt mehr als das Zehnfache, wobei der $f_\text{max}$ \SI{4}{\giga\hertz} erreicht und die beste Transkonduktanz, die bisher für ein HF-MoS\textsubscript{2}-Bauelement auf einem flexiblen Substrat gemeldet wurde, \SI{30}{\micro\siemens\per\micro\meter} für ein \SI{80}{\nano\meter} langes Bauelement.} Die Geräte wurden an der Stanford University (CA, USA) während eines Forschungsaufenthalts im Ausland realisiert. Die Ergebnisse wurden an die Device Research Conference (DRC) 2024 (mündlich, gleicher Beitrag) in College Park, MD, USA, vorgestellt.\par Schließlich wurden \textbf{zum ersten Mal MoS\textsubscript{2} RF-Bauelemente zusammen mit der bestehenden flexiblen Metall-Isolator-Graphen (MIG)-Diodentechnologie auf demselben Substrat integriert}, was den Weg für die Entwicklung von Schaltungen ebnet, die die Vorteile beider Materialien nutzen. Die integrierten Bauelemente zeigen ON-Stromdichten von bis zu \SI{25}{\micro\ampere\per\micro\meter} für einen \SI{5}{\micro\meter} langen FET und Mobilitäten von bis zu \SI{34.5}{\centi\meter\squared\per\volt\per\second} mit den vier Probenmessungen. Diese Ergebnisse zeigen, dass unsere Technologie integrierte Bauelemente mit einer Leistung hervorbringt, die mit Prototypen von einzel stehenden Bauelementen vergleichbar ist. Das Potenzial der Technologie wurde außerdem durch die Herstellung und Charakterisierung einer vollständig integrierten Leistungsdetektorschaltung demonstriert. Die Entwicklung dieses Prozesses legt den Grundstein für die Realisierung voll integrierter RF-Frontends auf flexiblen Substraten. Diese Arbeit wurde auf der 2023 Device Research Conference von Paula Palacios (mündlich, gleicher Beitrag) in Santa Barbara, CA, USA, vorgestellt. Eine Veröffentlichung in einer Fachzeitschrift ist derzeit in Review.

Flexible electronics is a promising field of research, whose potential has been explored in recent years. The technological benefits that a fully developed flexible electronics industry can bring are enormous, ranging from small, connected and lightweight wearable devices to flexible displays and batteries. Among the materials suitable for such applications, are organic semiconductors, graphene and other 2D materials. The semiconducting transition metal dichalcogenide MoS\textsubscript{2} plays an important role due to its excellent mechanical strength and flexibility. In this context, MoS\textsubscript{2} layers grown by chemical vapor deposition (CVD) are of particular interest compared to mechanically exfoliated flakes, as this technique enables large-scale production. To achieve this, novel processes and characterization routines need to be developed to fully exploit the potential of the new materials on the new substrates. In fact, some of the characterization methods used to investigate the quality of standard silicon devices have yet to be fully understood and need further development for the characterization and modeling of the new materials.\quad The goal of this dissertation is to demonstrate the feasibility of flexible 2D materials-based radio frequency (RF) devices and circuits. A fundamental requirement for this goal is the fabrication of high-performance devices and the development of integration strategies that enable the realization of complex circuits. Furthermore, the careful characterization of MoS\textsubscript{2}, its relationship with the dielectric environment and the consequent understanding of the physical phenomena due to defects and intrinsic material properties is targeted as a fundamental step towards the development of optimized devices. This goal has been investigated through the development of a new theoretical model for the analysis of electrical measurements and through the experimental fabrication and the characterization in DC and RF of prototype devices and circuits.\quad In this dissertation, RF-flexible MoS\textsubscript{2}-based field-effect transistors (FETs) and circuits operating in the \SI{}{\giga\hertz} range on flexible substrates are fabricated and characterized. The MoS\textsubscript{2} materials used in this work are exclusively CVD, while the metals and oxides are deposited using scalable process technology. The fabrication and analysis of test structures using electrical, optical, and physical measurement techniques allowed the modeling of the electrical relationships between the MoS\textsubscript{2} channel material and the gate oxide. \textbf{The new model, together with admittance measurements, allowed to study the interplay between the MoS\textsubscript{2} and its surrounding dielectric environment.} This provided a deeper understanding of the charge trapping phenomena and is powerful tool to evaluate the impact of the deposition of the dielectrics in the fabrication processes of 2D-based FETs. The results of this study were presented at the 2021 Silicon Nanoelectronics Workshop (oral, online) and with a poster at the 53rd Semiconductor Interface Specialists Conference (2022) in San Diego, CA, USA, among others. This work was peer-reviewed and will be published in 2025 in IEEE Transactions on Electron Devices.\par The suitability of MoS\textsubscript{2} for high frequency applications was demonstrated by fabricating RF devices on a flexible polyimide (PI) substrate, comparing monolayer and multilayer MoS\textsubscript{2} as channel materials. The devices were characterized in DC and RF, showing maximum $f_\text{t}$ and $f_\text{max}$ of \SI{57.7}{\mega\hertz} and \SI{236.6}{\mega\hertz}. The devices were subsequently tested in a power detector circuit configuration, thus realizing \textbf{the first MoS\textsubscript{2}-based power detector to date.} The detectors have high responsivities up to \SI{134}{\watt\per\volt} at \SI{11}{\giga\hertz} for the multilayer MoS\textsubscript{2}, and \SI{49}{\watt\per\volt} at \SI{21}{\giga\hertz} for the monolayer material. The results were presented at the 2022 Graphene Conference (oral) in Aachen, among others, and published in a journal (Advanced Materials, equal contribution).Nanoscale fabrication offers an improvement in RF performance achieved through the successful integration of electron beam lithography (EBL) with flexible substrates, scaling semiconductor channels to the nanometer scale. Although EBL is not a standard semiconductor manufacturing process, it has been used to explore the potential of nanoscale devices. \textbf{The improvement in RF performance is more than tenfold, with the $f_\text{max}$ reaching \SI{4}{\giga\hertz} and the best transconductance reported to date for an RF MoS\textsubscript{2} device on a flexible substrate, \SI{30}{\micro\siemens\per\micro\meter} for an \SI{80}{\nano\meter} long device.} The devices were realized at Stanford University (CA, USA) during a research stay abroad. The results were presented at the 2024 Device Research Conference (DRC) (oral, equal contribution) at College Park, MD, USA. Finally, \textbf{for the first time, MoS\textsubscript{2} RF devices were integrated together with existing flexible metal-insulator-graphene (MIG) diode technology on the same substrate}, paving the way for the design of circuits that take advantage of both materials. The integrated devices show transconductance up to \SI{0.4}{\micro\siemens\per\micro\meter} for a \SI{5}{\micro\meter} long FET, and mobilities up to \SI{34.5}{\centi\meter\squared\per\volt\per\second} with the four probe measurements. These results show that our technology yields integrated devices with performances comparable to prototype single standing devices. The potential of the technology was further demonstrated by the fabrication and characterization of a fully integrated power detector circuit. The development of this process lays the foundation for the realization of fully integrated RF front-ends on flexible substrates. This work was presented at the 2023 Device Research Conference by Paula Palacios (oral, equal contribution) in Santa Barbara, CA, USA. A journal publication is currently in review.

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