Fabrication and characterization of WSe2 PN junctions

Transistors are the key components of microelectronic and integrated circuit (IC) technology. Their implementation as switches is the basis of digital technology. The microprocessors are the most complex ICs. The processing capability of the processors depends on the number of transistors that can be fit in the surface of the processor. For years, the main drive for lithography technology advancements has been increase in resolution. This increase in resolution allowed to pattern smaller devices, filling the area of the processors with smaller and smaller circuits. This in turn increased the processing capabilities of processors. A switch of focus for lithography based technologies is needed since transistors channels are approaching sizes for which quantum effects have become non negligible. These so called short-channel effects affect the material mainly used in electronics: silicon. To overcome quantum effects, a more radical steer away from silicon based technologies is needed. This work focuses on the adoption of two-dimensional (2D) materials, mainly tungsten diselenide (WSe2), a transition metal dichalcogenide (TMDC), to circumvent these effects. Being a 2D material, WSe2 is immune to short-channel effects. WSe2 shows important nanoelectronics properties, with the most notable one being thickness-dependent polarity of majority carriers. This property is exploited to achieve early stepping stones into verifying the possibility of employing WSe2 as a key material for electronics. The first point of this work was fabrication of field effect transistors (FETs), to demonstrate the type of majority carriers in flakes of different thicknesses. Such devices were also useful to study Schottky barriers for different thicknesses of the material and to have an early study of current densities for both electrons and holes in WSe2. The flakes of WSe2 have been subjected to polymethyl methacrylate (PMMA) spin-coating, SF6 reactive ion etching (RIE) and metal contact deposition through patterning of PMMA masks with electron beam lithography (EBL) and deposition of metals with physical vapour deposition (PVD). The second device, and the one this work mainly focuses on, is the fabrication of PN junctions through contacting two flakes of different thickness. This contact is achieved through hot-pickup and deposition of n-type flakes on top of p-type ones. The last step which was tried, was the fabrication of a bipolar junction transistor (BJT) with the same principle of the PN junction: hot-pickup and deposition of n-type flakes on top of p-type ones, to achieve an NPN configuration.

I transistor sono il componente chiave per la microelettronica e per la tecnologia basata sui circuiti integrati. Il loro utilizzo come interruttori è alla base della tecnologia digitale. I microprocessori sono i più complessi circuiti integrati (ICs). La capacità di elaborazione dei processori dipende dal numero di transistor che riescono ad essere installati sulla superficie del processore. Per anni l’obiettivo principale degli avanzamenti nella tecnologia litografica è stato il miglioramento della risoluzione. Questo aumento della risoluzione ha permesso di stampare dispositivi di dimensioni sempre minori, permettendo l’aumento del numero dei circuiti possibili sulle superfici dei processori. Questo miglioramento ha a sua volta migliorato le capacità di elaborazione dei processori. Un cambiamento di direzione per le tecnologie basate sulla litografia si è reso necessario, perché i canali realizzabili per i transistor stanno raggiungendo dimensioni per le quali effetti quantistici non sono più trascurabili. Questi effetti definiti di corto canale, influenzano il materiale largamente utilizzato per l’elettronica: il silicio. Per superare questi effetti quantistici un allontanamento radicale dalle tecnologie a base di silicio è necessario. Questo lavoro si concentra sulla possibilità di adottare materiali bi-dimensionali (2D), principalmente diselenato di tungsteno (WSe2), un dicalcogenato di metallo di transizione (TMDC), per evitare questi effetti. Essendo bidimensionale, WSe2 è immune a effetti di corto canale. WSe2 mostra importanti proprietà per la nanoelettronica, con la più interessante che è polarità dei portatori maggioritari dipendente dallo spessore del materiale. Questa proprietà è stata sfruttata per tracciare i primi passi verso la verifica della possibilità di utilizzare WSe2 come materiale per l’elettronica di consumo. Il primo punto di questo lavoro è la fabbricazione di transistor a effetto di campo (FET) per dimostrare la concentrazione di portatori maggioritari a diversi spessori del materiale. Questo primo dispositivo è stato utile anche per studiare l’andamento delle barriere Schottky per diversi spessori del materiale e per studiare le densità di corrente per elettroni e lacune nel WSe2. Il materiale è stato soggetto a spin-coating di polimetilmetacrilato (PMMA), attacco con ioni reattivi (RIE) di SF6 e deposizione di contatti di metallo tramite stampa di pattern sulle maschere di PMMA con litografia a fascio di elettroni (EBL) e deposizione di metalli con deposizione fisica da vapore (PVD). Il secondo dispositivo, quello su cui questo lavoro si concentra, è la fabbricazione di giunzioni PN attraverso la messa in contatto di due flake di spessore diverso. Questo contatto è raggiunto tramite hot-pickup e deposizione di flake di tipo n su flake di tipo p. L’ultimo passo in avanti tentato è la fabbricazione di un transistor a giunzione ambipolare (BJT), basandosi sullo stesso principio delle giunzioni PN: hot-pickup e deposizione di flake di tipo n su flake di tipo p, per raggiungere una configurazione NPN