The relentless scaling of silicon-based integrated circuits, long guided by Moore’s Law, is now confronting fundamental physical and economic limits. As transistor dimensions shrink into the deep nanometer regime, detrimental short-channel effects and unsustainable power consumption challenge the continued progress of conventional CMOS technology. This inflection point necessitates the exploration of new materials and device architectures to pave the way for the next generation of electronics systems. Two-dimensional (2D) semiconductors, particularly molybdenum disulfide (MoS2), have emerged as a leading candidate, offering ultimate scalability and unique electronic properties, interesting for both advanced logic and non-volatile memory applications. This thesis addresses the critical need for robust predictive models to harness the potential of these novel solutions and help the fabrication process. The work develops a comprehensive, physics-based simulation framework to investigate and engineer the behavior of multi-gated, junctionless MoS2-based transistors, capturing the complex interplay of phenomena governing their operation in a wide range of scenarios. Ultra-compact logic gates (NOT, AND, NAND) are demonstrated and analyzed, as well as reconfigurable devices with programmable carrier polarity for complementary logic applications, charge-trap memories for neuromorphic computing and ferroelectric memories in NAND string configuration. Model results are systematically validated against experimental data, proving great accuracy and flexibility.

La continua miniaturizzazione dei circuiti integrati a base di silicio, per lungo tempo guidata dalla Legge di Moore, sta ora affrontando limiti fisici ed economici fondamentali. Man mano che le dimensioni dei transistori si riducono al regime nanometrico, effetti deleteri di canale corto e un consumo di potenza insostenibile mettono a dura prova il continuo progresso della tecnologia CMOS convenzionale. Questo punto di svolta rende necessaria l’esplorazione di nuovi materiali e architetture per aprire la strada alla prossima generazione di sistemi elettronici. I semiconduttori bidimensionali (2D), in particolare il disolfuro di molibdeno (MoS2), sono emersi tra i candidati principali per questo scopo, offrendo un’estrema scalabilità e proprietà elettroniche uniche, interessanti sia per applicazioni logiche avanzate, che di memoria non volatile. Questa tesi risponde alla necessità di definire modelli predittivi robusti per sfruttare il potenziale di queste nuove soluzioni e aiutare il processo di fabbricazione. Il lavoro sviluppa un ambiente di simulazione completo e basato sulla fisica, per investigare e ingegnerizzare il comportamento di transistori multi-gate basati su MoS2, catturando la complessa interazione dei fenomeni che ne governano il funzionamento, in un’ampia gamma di scenari operativi. Vengono dimostrate e analizzate porte logiche ultra-compatte (NOT, AND, NAND), così come dispositivi riconfigurabili con polarità programmabile per applicazioni di logica complementare, memorie charge-trap per il calcolo neuromorfico e memorie ferroelettriche in configurazione a stringa NAND. I risultati del modello sono sistematicamente verificati e confrontati con dati sperimentali, dimostrando grande accuratezza e flessibilità.

Modeling of MoS2-based devices for logic and memory applications

GAREGNANI, NICCOLÒ
2024/2025

Abstract

The relentless scaling of silicon-based integrated circuits, long guided by Moore’s Law, is now confronting fundamental physical and economic limits. As transistor dimensions shrink into the deep nanometer regime, detrimental short-channel effects and unsustainable power consumption challenge the continued progress of conventional CMOS technology. This inflection point necessitates the exploration of new materials and device architectures to pave the way for the next generation of electronics systems. Two-dimensional (2D) semiconductors, particularly molybdenum disulfide (MoS2), have emerged as a leading candidate, offering ultimate scalability and unique electronic properties, interesting for both advanced logic and non-volatile memory applications. This thesis addresses the critical need for robust predictive models to harness the potential of these novel solutions and help the fabrication process. The work develops a comprehensive, physics-based simulation framework to investigate and engineer the behavior of multi-gated, junctionless MoS2-based transistors, capturing the complex interplay of phenomena governing their operation in a wide range of scenarios. Ultra-compact logic gates (NOT, AND, NAND) are demonstrated and analyzed, as well as reconfigurable devices with programmable carrier polarity for complementary logic applications, charge-trap memories for neuromorphic computing and ferroelectric memories in NAND string configuration. Model results are systematically validated against experimental data, proving great accuracy and flexibility.
FARRONATO, MATTEO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
22-lug-2025
2024/2025
La continua miniaturizzazione dei circuiti integrati a base di silicio, per lungo tempo guidata dalla Legge di Moore, sta ora affrontando limiti fisici ed economici fondamentali. Man mano che le dimensioni dei transistori si riducono al regime nanometrico, effetti deleteri di canale corto e un consumo di potenza insostenibile mettono a dura prova il continuo progresso della tecnologia CMOS convenzionale. Questo punto di svolta rende necessaria l’esplorazione di nuovi materiali e architetture per aprire la strada alla prossima generazione di sistemi elettronici. I semiconduttori bidimensionali (2D), in particolare il disolfuro di molibdeno (MoS2), sono emersi tra i candidati principali per questo scopo, offrendo un’estrema scalabilità e proprietà elettroniche uniche, interessanti sia per applicazioni logiche avanzate, che di memoria non volatile. Questa tesi risponde alla necessità di definire modelli predittivi robusti per sfruttare il potenziale di queste nuove soluzioni e aiutare il processo di fabbricazione. Il lavoro sviluppa un ambiente di simulazione completo e basato sulla fisica, per investigare e ingegnerizzare il comportamento di transistori multi-gate basati su MoS2, catturando la complessa interazione dei fenomeni che ne governano il funzionamento, in un’ampia gamma di scenari operativi. Vengono dimostrate e analizzate porte logiche ultra-compatte (NOT, AND, NAND), così come dispositivi riconfigurabili con polarità programmabile per applicazioni di logica complementare, memorie charge-trap per il calcolo neuromorfico e memorie ferroelettriche in configurazione a stringa NAND. I risultati del modello sono sistematicamente verificati e confrontati con dati sperimentali, dimostrando grande accuratezza e flessibilità.
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/240971