The design and transport properties of nano-devices based on two-dimensional semiconductors

Yarı iletken endüstrisi, geleneksel silikon tabanlı transistörlerin temel fiziksel ve elektrostatik sınırlarına yaklaşırken, teknolojik ölçeklemeyi sürdürebilmek için atomik kalınlıkta kanal malzemelerine geçiş zorunlu hale gelmiştir. Bu tez, iki boyutlu (2B) yarı iletkenlere dayalı nano-aygıtların tasarımı ve taşınım özelliklerine yönelik bir kavram kanıtlama (proof-of-concept) çalışması sunmakta ve bu aygıtların yeni nesil nanoelektronik için modüler bir platform olarak uygulanabilirliğini değerlendirmektedir. Yoğunluk Fonksiyonel Teorisi (DFT) ile Denge Dışı Green Fonksiyonu (NEGF) formalizmini birleştiren kapsamlı, birinci ilkeler ve kuantum taşınım temelli hesaplamalı bir yöntem kullanılarak, aygıt performansı balistik taşınım sınırında sistematik biçimde incelenmiştir. Bu inceleme, nanometre ölçeklerinde kanal uzunluğu ve elektrot katkılamasının akım akışını nasıl belirlediğini açıklığa kavuşturmak amacıyla Metal-Yarı İletken-Metal (MSM) sistemleriyle başlar. Analiz daha sonra, yerleşik elektrostatik potansiyelin tünellemeye dayalı doğrultma üzerindeki etkisini yakalamak için p-n eklemlerine ilerler. Çalışma, kapı elektrotlarının etkin kontrol elemanları olarak görev yaptığı ara mimariler olan p-i-n alan etkili transistörlerle sürdürülür. Son olarak, kontakların, kanal taşınımının ve elektrostatik kontrolün bütünleşik etkilerinin tek bir aygıt kavramı içinde değerlendirildiği MOSFET mimarilerinin incelenmesiyle çalışma tamamlanır. Derin ölçeklenmiş 2B rejimde mimari optimizasyonun, malzeme seçimi kadar kritik olduğu sonucuna varılmaktadır. Özellikle, kanal malzemesinin içsel özelliklerini değiştirmeden kaynak (source) ve dren (drain) elektrostatiklerini ayarlamak ve drenden kaynaklanan alanın kanala nüfuzunu perdelemek için underlap mühendisliği pratik bir araç olarak belirlenmiştir. Sonuçlar, bu tür optimize edilmiş geometrilerin dahil edilmesinin iletim (on) durum akımlarını belirgin biçimde artırdığını ve enerji verimliliğini iyileştirdiğini göstermektedir. Ayrıca, bu iyileştirmeler aygıtların ITRS-2028 yüksek performans hedeflerini karşılamasını veya aşmasını mümkün kılmaktadır. Sonuç olarak, bu tez, atomik incelikteki yapılarının hassas elektrostatik mühendislikle birleştirilmesiyle, 2B yarı iletkenlerin yüksek performanslı transistör çalışması için olağanüstü potansiyelini gösteren prototip cihazlar sunmaktadır.