Nanofabrication and characterization of ultrashort field-effect transistors based on transition-metal dichalcogenides

To pursue Moore's Law and improve the performance of metal-oxide-semiconductor field- effect transistors (MOSFETs), it is essential to reduce the dimensions of these devices. Silicon, the primary semiconductor used today, presents critical limitations as scaling pro- gresses. In addition to various geometries and structures (such as FinFET and GAA), scientific research has also focused on new materials. In particular, two-dimensional materials, such as graphene, hexagonal boron nitride, and transition metal dichalcogenide (TMDC) semiconductors like WSe2 and MoS2, are promising candidates to replace silicon in com- plementary MOS (CMOS) technology. In this thesis, an ultra-short-channel FET based on WSe2 (p-type) and MoS2 (n-type) was designed, fabricated, and analyzed. These devices were realized using van der Waals heterostructures with graphene contacts, processed through electron beam lithography and reactive ion etching (RIE). This thesis work presents the nanofabrication processes and the subsequent electrical characterization of the devices. The results highlight the application and limitations of this approach and propose possible improvements and solutions to enhance device perfor- mance.

Per perseguire la legge di Moore, e migliorare le performance dei transistor a effetto di campo (FET) a struttura metallo-ossido-semiconduttore (MOS) è essenziale ridurre le dimensioni di tali dispositivi. Il silicio, principale semiconduttore impiegato oggigiorno, presenta delle criticità scalando le dimensioni. Oltre a diverse geometrie e tipi di strutture (Fin-FET e GAA) la ricerca scientifica si è concentrata anche su nuovi materiali. In particolare, i materiali bidimensionali, come grafene, nitruro di boro esagonale e semiconduttori della famiglia dei dicalcogenuri di metalli di transizione (TMDC) come WSe2 e MoS2, che sono promettenti candidati a sostituire il silicio nella tecnologia CMOS (Complementary MOS). In questo lavoro di tesi si è progettato, creato e analizzato un tipo di FET con canale ultra corto, basati su WSe2 (p-type) e MoS2 (n-type). Tali tispositivi sono stati realizzati con eterostrutture di van der Waals, composte da contatti in grafene, processati tramite litografia elettronica e RIE (Reactive Ion Etching). Verrano mostrati i processi di nanofabbricazione e la seguente caratterizzazione elettrica dei dispositivi. I risultati mostrano i limiti di questo approccio e mostrano possibili miglioramenti e soluzioni per migliorare le performance dei dispositivi.