Transferable organic/inorganic nanosheets for van der Waals thin-film transistors on trap-passivated dielectrics

Kalkan, Sirri Batuhan (2023): Transferable organic/inorganic nanosheets for van der Waals thin-film transistors on trap-passivated dielectrics. Dissertation, LMU München: Fakultät für Physik

Abstract

Heutige Silizium-MOSFET nutzen die besonderen Eigenschaften von Silizium-Nanosheets für leistungsfähige Mikroprozessoren bei geringem Stromverbrauch. Parallel dazu wird an natürlich vorkommenden Übergangsmetall-Dichalcogeniden als ebenfalls vielversprechende Kandidaten für die nächste Generation von Nanosheet-Transistoren geforscht. Anders als beide Vorgenannten ist die Rolle von organischen Nanosheets in diesem Zusammenhang trotz ihrer überragenden Eigenschaften als Photodioden schwer zu fassen. Im Rahmen dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit einer neuartigen Transfer-Technologie für organische Halbleiter, die wir selbst entwickelt haben und untersuchen den Ladungsträgertransport in transferierbaren, organischen und inorganischen van der Waals Nanosheets. Wir verwenden ein wasserlösliches Polymer als Unterlage für den Wachstumsprozess, das in einer geeigneten Anordnung benetzt und aufgelöst wird. Diese Methode gestattet die Ablösung dieser Nanosheets von Drei-Zoll-Wafer. Mit der Hilfe von Rasterkraftmikroskopie und Röntgenstreuexperimenten können wir die hohe Kristallinität der transferierten Nanosheets bestätigen. Wir untersuchen die Leistungsfähigkeit transferierter organischer Transistoren mit Kontakt auf der Unterseite, welche aufgrund der im Übertragungsprozess erhaltenen hohen Kristallinität bessere Ergebnisse liefern als solche aus bloß abgeschiedenen Schichten. Anschließend stellen wir Transistoren mit van der Waals Hetero-Übergängen auf Siliziumdioxid mit transferierten organischen Nanosheets und atomardünnen Halbleitern her. Die erstgenannten dienen als p-Leiter, die zweitgenannten als n-Leiter. Sowohl Elektronen als auch Löcher tragen zum Ladungstransport bei und zeigen eine ambipolare Charakteristik mit vergleichbaren Werten für die Ladungsträgermobilität. Die quantitative Analyse des ambipolaren Transistors und eines unipolaren Transistors aus MoS2 auf einer unbehandelten 100 nm-dicken Siliziumdioxid-Schicht ergibt eine Unterschwellensteilheit von 2,400 mVdec-1 bis 1,000 mVdec-1. Bei Raumtemperatur kann die Unterschwellensteilheit einen Abfall von bis zu 60 mV pro Dekade des Drain-Stroms erreichen. Jede signifikante Abweichung vom idealen Verhalten in Richtung höherer Werte deutet auf lokale Grenzflächen-Zustände hin. Das Passivieren der Grenzflächenzustände des Aluminiumoxids bei unipolaren, organischen Nanosheet-Transistoren mit kovalent gebundenen, selbstorganisierten Monoschichten ermöglichen steilere Werte der Unterschwellensteilheit. Jedoch verhindern Benetzungsprobleme der SAM mit Chemikalien, die üblicherweise bei der Photolithographie zum Einsatz kommen, die zur Herstellung ambipolarer und unipolarer MoS2- Transistoren verwendete Oxid-Passivierung. Zur Lösung dieses Problems entwickeln wir eine neue, lithographie-kompatible Methode zur Grenzschichtpassivierung mit Hilfe einer ultra-dünnen Polymerschicht. Unsere Untersuchungen ergeben, dass der Ladungsträgertransport in Transistoren durch sog. Springen zwischen durch nichtabgesättigte Bindungen hervorgerufenen tiefen Störstellen dominiert wird. Diese treten bei unbehandelten Oxiden auf und führen zu schlechtem Unterschwellen-Verhalten. Hinzu kommt, dass das “Hopping” von Ladungsträgern in tiefen Störstellen die Bestimmung einer korrekten Transistor-Charakteristik verhindert. Hingegen zeigen Transistoren mit einer passivierten 100 nm-dicken Siliziumdioxidschicht Hopping-Transport über Randzustände mit wenigen kBT unterhalb des Leitungsbands und eine substantiell stärkere Unterschwellensteilheit von 189 mVdec-1. Wenngleich durch die Passivierung die benötigte Drain-Spannung auf 5 V reduziert wird, um den Sättigungsbereich zu erreichen, so zeigt der MoS2-Transistor doch eine nicht-ideale Sättigungscharakteristik. Dieses nicht-ideale Sättigungsverhaltenen der Transistoren auf unpassivierten, 100 nm- dicken Siliziumdioxidschichten weist darauf hin, dass eine weitere Verbesserung der Unter- schwellensteilheit erforderlich ist, um die Dominanz der Grenzflächenzustände gegenüber den intrinsischen Eigenschaften des Halbleiters zu beseitigen. Wir verwenden eine lokale Gatter-Struktur mit Aluminium als Gatter-Metall und verstärken das native Oxid des Aluminiums mit einem Sauerstoff-Plasma-Prozess zur Erzeugung eines hochwertigen, ultradünnen Aluminiumoxids. Aluminiumoxid ermöglicht die Verwendung von konvalent bindenden SAM zur Grenzflächenpassivierung. Durch Verkleinerung der Passivierungsfläche innerhalb der Architektur des lokalen Gatters können wir die Bentzungsprobleme lösen, die zuvor bei solchen SAM-Oberflächen beobachtet worden sind. Die Kapazität des Plasma-Oxids vergrößert sich, verglichen mit dem passivierten 100 nm-dicken Siliziumdioxid, um das Zwanzigfache. Dadurch reduziert sich der Bereich für die Gate-Spannung auf ±0.75 V, was dazu führt, dass die Sättigungsbedingungen bereits bei einer Drain-Spannung von 1 V erreicht werden können. Mit solch ultradünnen Gate-Oxiden weisen MoS2-Transistoren eine lehrbuchhafte Charakteristik auf: geringe Betriebsspannung, starke Unterschwellensteilheit von 61.6 mVdec-1 und Ladungsträgerbeweglichkeiten von ungefähr 5 cm2V-1s-1. Diese Ergebnisse betonen, dass die Herstellung effizienter Nanosheet-Transistoren mit atomardünnen Halbleitern auf ultradünnen Oxiden möglich ist, sofern die Oberflächen-Eigenschaften gründlich angepasst werden. Im Rahmen dieser Arbeit ist die elektronische Charakteristik von Einzel-Transistor-Bauelemente vorangetrieben worden, was zur Herstellung komplexerer organisch/anorganischer, ambipolarer Transistoren und integrierter Schaltkreise ermutigen soll.

Abstract

The latest silicon metal-oxide-semiconductor field-effect transistor design utilizes silicon nanosheets for high-performance, low-power microprocessors. In parallel, natural nanosheets like transition metal dichalcogenides are studied as promising candidates for the next-generation materials in nanosheet transistors. So far, organic nanosheets have remained elusive, despite superior performance of organic molecules in light-emitting diodes. In this thesis, we develop a novel transfer technique for organic semiconductors and investigate the charge transport in transferable organic/inorganic van der Waals nanosheets. We used a water-soluble polymer as a growth template, which was dissolved in a proper wetting geometry following the deposition of the organic semiconductor, allowing the release of wafer-scale (3-inch) nanosheets from their growth substrates. Using an atomic force microscope and X-ray diffraction, we confirmed that the nanosheets preserved their high crystallinity after transfer. We investigated the performance of bottom-contact transferred organic transistors, which outperformed bottom-contact as-evaporated organic transistors due to the transfer-enabled high crystallinity. Afterward, we fabricated van der Waals heterojunction transistors on silicon oxide with transferable organic nanosheets and atomically thin semiconductors, the former serving as a p-conductor and the latter as an n-conductor. We discovered that electrons and holes simultaneously contribute to charge transport, exhibiting ambipolar characteristics with similar mobility values. Quantitative analysis of the ambipolar transistors and unipolar MoS2 transistors on un- treated 100 nm-thick silicon oxide revealed subthreshold slopes of 2,400 mVdec-1 to 1,000 mVdec-1 . At room temperature, the subthreshold slope can be as steep as 60 mV over a decade of drain current. Any significant deviation from this ideal behavior towards higher values indicates local interface states. Passivating the interface states of the aluminum oxide in unipolar organic nanosheet transistors with chemically bonded self-assembly monolayers (SAM) allowed us to achieve steeper subthreshold slopes. However, the wetting problems of SAM with lithography chemicals prevented the use of this oxide passivation in the fabrication of ambipolar transistors and unipolar MoS2 transistors. To resolve this issue, we introduced a new lithography-compatible interface state passivation by an ultrathin polymer. We observed that the charge transport was dominated by hopping in dangling bond-induced deep trap states for transistors on untreated oxides, resulting in poor subthreshold performance. In addition, the deep trap state hopping of charges made it impossible to determine the proper transistor characteristics. Contrarily, the transistors on passivated 100 nm-thick oxide demonstrated hopping transport in tail states a few kBT below the conduction band and substantially steeper subthreshold slopes of 189 mVdec-1. Although the passivation reduced the required drain voltages to 5 V to establish the saturation region conditions, the MoS2 transistors exhibited non-ideal saturation characteristics. Non-ideal saturation characteristics of the transistors on passivated 100 nm-thick silicon oxide indicated the need for further improvement of the subthreshold slope to eliminate the domination of interface states’ over the intrinsic properties of the semiconductor. We adopted a local gate architecture, used patterned aluminum as gate metal, and enhanced its oxide by oxygen plasma to produce high-quality ultrathin aluminum oxide. Aluminum oxide enabled using chemically bonded SAMs as an interface state passivation. By decreasing the passivation area through the local gate architecture, we could eliminate the wetting problems that had previously occurred for such SAM surfaces. The capacitance of the plasma-enhanced oxide increased by 20 times compared to the passivated 100 nm-thick silicon oxide. As a result, the gate voltage range was lowered to ±0.75 V, enabling saturation conditions to occur at drain voltages of 1 V. MoS2 transistors on such ultrathin gate oxides exhibited textbook thin-film transistor characteristics; low operation voltages, steep subthreshold slopes of 61.6 mVdec-1, and mobilities around 5 cm2V-1s-1. The results emphasize that efficient nanosheet transistor fabrication is possible with atomically thin semiconductors on ultrathin oxides if the surface properties are carefully adjusted. This work pushed the electronic properties of single transistor device characteristics, encouraging building of more complex organic/inorganic ambipolar transistors and integrated circuits.

• Dokumententyp: Dissertationen (Dissertation, LMU München)
• Keywords: organic semiconductors, transition metal dichalcogenides, trap-passivated dielectrics, charge transport, van der Waals heterostructures
• Themengebiete: 500 Naturwissenschaften und Mathematik ; 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
• Fakultäten: Fakultät für Physik
• Sprache der Hochschulschrift: Englisch
• Datum der mündlichen Prüfung: 28. März 2023
• 1. Bericht­erstatter:in: Nickel, Bert