Contact resistance and non-quasi-static effects in two-dimensional field-effect transistors

For long, the improvements in nanoelectronic devices have been associated with the scaling of the gate length in the field-effect transistors (FETs). The aggressive scaling of FETs led to unwanted short-channel effects and forced semiconductor companies to realize new designs to cope with parasitics, mainly developing out-of-plane geometries. After the isolation of graphene in 2009 by Gaim and Novoselov, a plethora of two-dimensional (2D) materials belonging to the family of transition metal dichalcogenides (TMDs) has been discovered. TMDs are promising materials for the post-silicon era due to their rich electronic properties and 2D nature. The possibility to employ materials, which can be ultimately thinned down to atomic planes, should allow the fabrication of stacked FETs fully controlled by the gate, thus increasing the density of logic gates in new-generation integrated circuits. State-of-the-art TMDs-based FETs have a contact resistance Rc ∼1-10 kΩ·μm. Many efforts have been dedicated towards the reduction of Rc, which should reach ∼50 Ω·μm of the conventional high-frequency FETs. In this work, two different approaches were pursued to lower Rc in MoS2 FETs, with MoS2 being a 2D TMD semiconductor. In the first approach, the edge contacts between metals and MoS2 were investigated. In the second approach, a 2D semimetal WTe2, also a TMD, was used as a buffer layer between the contacts and MoS2, in the fabricated FETs. All fabricated MoS2 FETs were characterised in terms of Rc, which was measured by employing two different methodologies, namely four-point probe (4pp) and transfer length method (TLM). We found that Rc(TLM) was much larger than Rc(4pp), indicating the presence of the junction resistance Rjun∼Rc(TLM), which is a part of the contact resistance physically located partially below the injecting current contact and partially in the channel next to the contact. Our results show that the contact resistance in MoS2 FETs is dominated by Rjun. The non-quasi-static (NQS) effects in graphene FETs (GFETs) were also investigated in this work. Due to the carriers inertia, a transit time is required for charge carriers to travel from the source to the drain, i.e., from one side to another of a GFET. During this time, a difference between the drain and source currents can be measured. NQS effects are of crucial importance for devices operating at high frequencies, such as GFETs. The ambipolar nature of graphene allowed the fabrication of GFETs in which the carrier polarity was tuned by the applied gate voltage. We demonstrated that the sign of the difference between the source and drain current depends on the sign of the gate pulse.

A lungo i progressi nello sviluppo di dispositivi nanoelettronici sono andati di pari passo con la riduzione della lunghezza di gate nei transistor ad effetto di campo. La forte spinta alla miniaturizzazione dei transistor ha portato agli indesiderati effetti di canale corto. Per far fronte al malfunzionamento dei transistor, soggetti agli effetti di canale corto, le compagnie nel settore dei semiconduttori hanno realizzato dispositivi che si sviluppassero in verticale rispetto alla geometria planare. Dopo la scoperta del grafene nel 2009 ad opera di Gaim e Novoselov, un’enorme varietà di materiali bidimensionali appartenenti alla famiglia dei dicalcogenuri dei metalli di transizione è stata scoperta. I dicalcogenuri dei metalli di transizione sono considerati materiali promettenti per lo sviluppo di tecnologia nell’era del post-silicio, a causa delle loro diverse proprietà elettriche e natura bidimensionale. L’impiego di materiali che possano essere assottigliati fino alla scala atomica dovrebbe permettere la fabbricazione di transistor ad effetto di campo, a sviluppo verticale, perfettamente controllati del contatto di gate. I dicalcogenuri dei metalli di transizione, mitigando gli effeti di canale corto, dovrebbero pertanto permettere l’aumento di unità logiche nella nuova generazione dei circuiti integrati. Allo stato dell’arte, i transistor realizzati con i dicalcogenuri dei metalli di transizione hanno una resistenza di contatto Rc ∼1-10 kΩ·μm. Molti sforzi sono stati profusi nel ridurre Rc al di sotto di∼50 Ω·μm, come nei transistor convenzionali ad alta frequenza. In questo lavoro, due nuovi approcci sono stati investigati per la riduzione di Rc nei transistor in MoS2, un semiconduttore 2D appartenente al gruppo dei dicalcogenuri dei metalli di transizione. Nel primo approccio, il contatto dal lato tra i metalli dei contatti e il MoS2 è stato studiato. Nel secondo approccio, uno strato di WTe2, un semimetallo 2D appartenente al gruppo dei dicalcogenuri dei metalli di transizione, è stato posizionato tra i contatti e il MoS2. Tutti i transistor con MoS2 sono stati caratterizzati in termini della loro Rc, che è stata misurata impiegando due metodologie differenti: con la misura a 4 punte e con il metodo a trasferimento di lunghezza. Abbiamo scoperto che, se misurata con il metodo a trasferimento di lunghezza, Rc è significativamente maggiore che nel caso in cui venga misurata con la misura a 4 punte. Questo risultato indica la presenza di una resistenza di giunzione Rjun∼Rc. La resistenza di giunzione è la parte preponderante della resistenza di contatto ed è in parte localizzata sotto il contatto di iniezione di corrente e in parte nella porzione di canale adiacente ad esso. In questo lavoro sono anche stati studiati gli effetti non quasi statici nei transistor ad effetto di campo in grafene. A causa dell’inerzia dei portatori di carica, un tempo di transito è necessario affinchè la carica fluisca dal contatto di source al contatto di drain nei transistor in grafene. Durante il tempo di spostamento della carica, si può misurare una differenza netta tra la corrente al contatto di drain e la corrente al contatto di source. Gli effetti non quasi statici sono particolarmente marcati in dispositivi che dovrebbero operare ad alte frequenze, come i transistor in grafene. La natura ambipolare del grafene ha permesso la fabbricazione di transistor in cui la polarità dei portatori di carica è stata controllata dalla tensione applicata al contatto di gate. Abbiamo dimostrato che il segno della differenza tra la corrente al contatto di source e al contatto di drain dipende dal segno dell’impulso di tensione applicato al contatto di gate.