Halbleiter/Fluoridstrukturen auf Si für 2D-Elektronik

Siliziumtechnologie ist heute allgegenwärtig, angefangen bei Telefonen und anderen Geräten für den täglichen Gebrauch, bis hin zu extrem leistungsstarken Supercomputern und Serverfarmen. Der beeindruckende Erfolg der Siliziumtechnologie in den letzten 50 Jahren beruhte auf der Skalierung, d.h. auf der kontinuierlichen Verkleinerung der Bauelemente von Generation zu Generation, um sie erschwinglicher und schneller zu machen. Halbleiterbauelemente bestehen in der Regel aus gestapelten isolierenden und halbleitenden Schichten. In diesen skalierten Bauelementen sind einige Schichten nur noch wenige Atome dünn und lassen sich deshalb nur schwer weiter skalieren. Außerdem haben diese Schichten unterschiedliche Gitterkonstanten, was es schwierig macht, sie zu stapeln, ohne Probleme in den Übergangsbereich herauszufordern. Eine vielversprechende Lösung ist die Verwendung von 2D-Materialien. Hierbei handelt es sich atomar dünne Materialien, die nur in einer zweidimensionalen Ebene chemische Bindungen eingehen und in der dritten Dimension durch Van-der-Waals-Kräfte zusammengehalten werden. Theoretisch können diese Materialien beliebig gestapelt werden, ohne dass Gitterfehlanpassungen befürchtet werden müssen, was zu sauberen Übergangsschichten und kristallinen Materialstapeln führt. In der Praxis gibt es jedoch viele Herausforderungen gerade in Bezug auf die Herstellung. Derzeit werden verschiedene alternative Optionen in Betracht gezogen. Bis jetzt gelang es aber noch nicht mit diesen konkurrenzfähige Bauelemente herzustellen. Wir haben kürzlich gezeigt, dass die Verwendung von Fluoriden als Isolatoren die Herstellung sehr stabiler und skalierbarer 2D-Bauelement erlaubt. Die Verwendung von Fluoriden hätte viele Vorteile, da es sich um ionische Kristalle mit geringer Defektdichte handelt, welche ausgezeichnete Isolatoren sind, ihre Wachstumsprozesse im Vergleich zu jedem anderen kristallinen Isolator für 2D-Technologien einigermaßen gut verstanden sind und vor allem da ihre inerte F-terminierte Oberfläche Van-der-Waals- Grenzflächen mit 2D-Materialien bildet. In diesem Projekt werden die Eigenschaften von Fluoriden als ultraskalierte Isolatoren für 2D- Bauelemente theoretisch untersucht. Ihre Eigenschaften und ihre elektronische Struktur werden mithilfe von Ab-initio-Berechnungen bestimmt um danach ermitteln zu können, auf welche Dicke sie skaliert werden können, ohne dass es zu inakzeptablen Leckströmen kommt. Darüber hinaus werden die am wahrscheinlichsten auftretenden Punktdefekte bestimmt um deren Einfluss auf das Bauelementverhalten abschätzen zu können, wenn Fluoride mit typischerweise verwendeten 2D- Halbleitern wie MoS2 kombiniert werden. Unsere Berechnungen werden mit Back-Gate- Prototypenbauelementen, bestehend aus CaF2 auf Si-Substraten zusammen mit transferierten exfolierten 2D-Halbleiter, abgeglichen. Diese Berechnungen erlauben es uns abzuschätzen, welche Materialkombination zu der besten Bauelementleistung führt.