Nanofabrication and characterization of MoS2-based field effect transistors

Microprocessors have been made almost exclusively from silicon so far, but the ever-increasing demand for higher integration density and speed, lower power consumption and better integrability with everyday goods has prompted the search for alternatives. The impact of this trend on the main technological fields is significant, like the nanoelectronics one, where a breakthrough is awaited to overcome the intrinsic limitations of the classical schemes those sectors strongly rely on. 2D materials represent the possibility to achieve better results and improve technology. It is currently not foreseen that silicon will be replaced for mainstream digital electronics in the mid-term future; however, 2D materials offer several interesting properties that could lead to novel applications. Molybdenum disulfide (MoS2) is one of the most promising material in this scenario, thanks to its unique properties, such as a low electrical resistivity and high on/off ratio. This thesis is aimed to explore the possibilities offered by MoS2. Organic catalysts assisted growth has been studied to create high quality and large scales material. Field effect transistor are used to perform electrical characterization and extract fundamental parameters, such as conduction properties. The results highlight interesting electrical properties, high on/off switch ratio and low energy dissipation.

La tecnologia come la conosciamo oggi affonda le sue radici nel silicio, un materiale abbondante, estremamente versatile e facile da lavorare. La richiesta di dispositivi sempre più performanti e potenti, capaci di una potenza di calcolo maggiore, ha portato ad un fiorente sviluppo e a una profonda conoscenza della fisica del silicio: questo processo vede oggigiorno una veloce battuta di arresto, dovuta ai limiti fisici imposti dalla nanoscala e dal materiale. I materiali 2D offrono una interessante soluzione per superare gli attuali limiti fisici di questa tecnologia: sostituire il silicio nella ben consolidata industria moderna è un traguardo pressoché impossibile e lontano, ma l’integrazione di nuovi materiali potrebbe permettere la creazione di dispositivi migliori e più performanti. Il disolfuro di molibdeno (MoS2) è un candidato promettente nel mondo dell’elettronica, grazie alle sue ottime caratteristiche elettriche, tra le quali la possibilità di avere conduzione balistica e di lavorare nel regime delle alte frequenze. Il limite più stringente per l’utilizzo di questo materiale è al momento l’impossibilità di avere singoli monolayer della grandezza dei formati standard dei wafer. Da alcuni anni però, vari gruppi si sono posti l’obiettivo di superare questa limitazione e realizzare tecnologie capaci di soddisfare il requisito base affinché una produzione su larga scala di dispositivi inglobanti il MoS2 sia efficacemente possibile. In questo trend si inserisce il lavoro di questa tesi in collaborazione con il gruppo del CNR presso il laboratorio MDM ad Agrate, per l’ottimizzazione del MoS2 ottenuto tramite promoter organici. Specificatamente questo lavoro di tesi si è focalizzato sulla realizzazione di transistors a base di calcogenuri e la loro caratterizzazione elettrica. I risultati evidenziano un interessante incremento delle caratteristiche del materiale, che permette di realizzare dispositivi con bassa resistenza elettrica, alte frequenze di lavoro e basse potenze dissipate.