Flexible complementary metal oxide semiconductor logic circuits based on 2D transition metal dichalcogenides

Piacentini, Agata; Neumaier, Daniel; Lemme, Max C.

doi:44413

Flexible complementary metal oxide semiconductor logic circuits based on 2D transition metal dichalcogenides

Piacentini, Agata^RWTH*

2024 & 2025

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Agata Piacentini, 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* ; Neumaier, Daniel (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-11-19

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2025-05177
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/1012795/files/1012795.pdf

Einrichtungen

Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (618710)

Projekte

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Aufgrund ihrer herausragenden elektrischen, optischen und mechanischen Eigenschaften werden zweidimensionale Materialien (2D-Materialien) als vielversprechende Kandidaten für eine breite Auswahl potenzieller künftiger Anwendungen in der Elektronik erforscht. Neben Graphen werden auch andere 2D-Materialien wie hexagonales Bornitrid (h-BN) und Übergangsmetall-Dichalcogenide (TMDCs) untersucht. Dabei handelt es sich um kristalline Materialien, die aus einer einzigen oder wenigen Atomschichten mit starker atomarer Bindung in der Ebene und schwacher Bindung zwischen den einzelnen Lagen bestehen. Insbesondere für die Dünnschichttransistortechnologie (TFT) haben TMDCs Aufmerksamkeit erregt. TMDCs wie Molybdändisulfid (MoS₂) und Wolframdiselenid (WSe₂) weisen einzigartige elektronische Eigenschaften auf, darunter auch eine Bandlücke, welche eine entscheidende Voraussetzung für den TFT-Betrieb darstellt. Darüber hinaus ermöglicht ihre Dicke auf atomarer Ebene Flexibilität, was sie ideal für flexible Elektronik macht. Die Forschung im Bereich der TMDC-basierten TFTs zielt darauf ab, ihre elektrischen Eigenschaften zu optimieren, die Stabilität der Bauelemente zu verbessern und skalierbare Herstellungsverfahren zu entwickeln, um die nächste Generation leichter und flexibler Elektronik zu ermöglichen. TMDCs bieten einen Weg zu hochleistungsfähigen TFTs, mit potenziellen Anwendungen wie flexiblen Displays, Sensoren und tragbaren Geräten. Die vorliegende Dissertation untersucht das Potenzial von TMDC-Transistoren für CMOS-Anwendungen in der flexiblen Elektronik. Im Rahmen der vorliegenden Untersuchung wurden MoS₂ und WSe₂ als n- bzw. p-Typ-Kanäle für Feldeffekttransistoren (FETs) verwendet. Um einen ordnungsgemäßen CMOS-Betrieb zu gewährleisten, müssen sowohl die n- als auch die p-Typ-FETs stabil arbeiten. Im Rahmen dieser Untersuchung wurde eine innovative, skalierbare Verkapselungsmethode für MoS₂-FETs entwickelt, bei der h-BN als Sperrschichten zwischen jeder Al₂O₃- und MoS₂-Grenzfläche verwendet werden. Die untersuchte Heterostruktur wies eine Verringerung der durch die Al₂O₃-Verkapselung induzierten n-Dotierung sowie eine verringerte Hysterese bei ultralangsamen Durchlaufzeiten auf. Dies lässt sich auf eine verbesserte dielektrische Schnittstelle zurückführen. Im Rahmen der Untersuchungen wurden verschiedene Kontaktmetalle getestet, um die p-Typ-Leitung in WSe₂-FETs zu optimieren. Dabei hat sich Palladium als besonders geeignet erwiesen und eine bessere FET-Leistung (höhere Mobilität und höhere Ströme) aufgewiesen. Im Anschluss an die Fertigung der TFTs auf einer flexiblen Folie wurde die Flexibilität dieser Bauelemente unter verschiedenen Belastungsstufen evaluiert. Dabei konnten sie bis zu 3000 Biegezyklen ohne signifikante Verschlechterung überstehen. Im Anschluss an die Fertigung der n- und p-Typ-Transistoren erfolgte deren Anschluss an externe Komponenten, um CMOS-Inverter zu realisieren. Diese stellen grundlegende Bausteine sowohl für digitale als auch für analoge Elektronik dar. Die untersuchten Inverter wiesen eine exzellente Leistung auf und zeigten ein ideales Schaltverhalten mit hoher Verstärkung (bis zu 100), einem hohen Signal-Rausch-Abstand (0.87 VDD) sowie eine geringe durchschnittliche statische Leistungsaufnahme (40 pW). Diese Ergebnisse übertreffen frühere TMDC-basierte flexible Inverter. Des Weiteren wurde ein skalierbarer Prozess für die Integration von zwei verschiedenen 2D-Materialien auf derselben Folie entwickelt und für die Realisierung komplexerer Schaltungen eingesetzt. Die Funktionalität von Invertern, Ringoszillatoren, Transmissionsgattern und Multiplexern (2:1 MUX und 4:1 MUX) wurde sowohl auf starren als auch auf flexiblen Substraten erfolgreich demonstriert, wobei sich keine wesentlichen Unterschiede in der Funktionalität beider Substrate zeigten. Die bemerkenswerte Leistung dieser Schaltungen stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, der das Potenzial von TMDCs als vielversprechende Kandidaten für flexible elektronische Schaltungen hervorhebt.

Two-dimensional materials have emerged as promising candidates for a wide range of potential future applications in electronics owing to their exceptional electrical, optical, and mechanical properties. Besides graphene, many other 2D materials are being investigated, such as hexagonal boron nitride (h-BN) and transition metal dichalcogenides (TMDCs). They are crystalline materials consisting of a single or a few layers of atoms with strong in-plane atomic bonding and weaker bonding along the out-of-plane direction. In particular, TMDCs have attracted attention for thin-film transistor (TFT) technology. TMDCs like molybdenum disulfide (MoS₂) and tungsten diselenide (WSe₂) exhibit unique electronic properties, including a bandgap, a crucial requirement for TFT operation. Furthermore, their atomic-scale thickness enables flexibility, making them ideal for flexible electronics. Research into TMDC-based TFTs aims to optimize their electrical properties, enhance device stability, and develop scalable manufacturing processes, opening up the possibility for the next generation of lightweight and flexible electronics. TMDCs offer a pathway to high-performance TFTs, with potential applications like flexible displays, sensors, and wearable devices. In this PhD thesis, the potential of TMDC transistors for CMOS applications in flexible electronics is explored. Specifically, MoS₂ and WSe₂ were utilized as n- and p-type channels for metal-oxide-field-effect transistors (MOSFETs), respectively. Achieving proper CMOS operation necessitates stable operation of both n- and p-type FETs. An innovative scalable encapsulation method for MoS₂-FETs, utilizing h-BN monolayers as barrier layers between each Al₂O₃ and MoS₂ interface, was investigated. This heterostructure demonstrated a reduction in n-doping induced by Al₂O₃ encapsulation, along with decreased hysteresis for ultra-slow sweeping times, attributed to an improved dielectric interface. Several contact metals were tested to optimize p-type conduction in WSe₂-FETs, with palladium top contacts emerging as superior, showcasing better FET performance (higher mobility and currents levels). After the fabrication of TFT on a flexible foil, the flexibility of these devices was evaluated under various levels of strain, enduring up to 3000 bending cycles without significant degradation. Once n- and p-type transistors were obtained, they were externally connected to realize CMOS inverters, fundamental building blocks for both digital and analogue electronics. These inverters exhibited excellent performance, demonstrating ideal switching behaviour with high gain (up to 100), high noise margin (0.87 VDD), and low average static power consumption (40 pW). These results surpass previous TMDC-based flexible inverters. A scalable process for integrating two different 2D materials on the same foil was then also developed and used for realizing more complex circuits. Inverters, ring oscillators, transmission gates, and multiplexers (2:1 MUX and 4:1 MUX) were successfully demonstrated on both rigid and flexible substrates, showing no major differences in functionality for both substrates. The remarkable performance achieved by these circuits marks a significant advancement in highlighting the potential of TMDCs as promising candidates for flexible electronic circuits.

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