60 이하 임계값 스윙 동작이 있는 ZrOx 네거티브 커패시턴스 전계 효과 트랜지스터

결과 및 토론

그림 2a는 측정된 편광 P 대 곡선을 보여줍니다. 인가 전압 V Ge/ZrO_{x의 특성} 3.3kHz의 /TaN 커패시터 게이트 길이(L _G )의 커패시터는 8μm입니다. 잔여 분극 P _r Ge/ZrO_x /TaN 커패시터는 V의 더 넓은 스위핑 범위로 향상될 수 있습니다. . 비정질 ZrO_{x의 강유전체와 같은 거동} 그림 2a의 막은 전압 구동 산소 결손 쌍극자에서 비롯된 것으로 제안됩니다[35]. 그림 2b는 측정된 P–V를 보여줍니다. Ge/ZrO_{x에 대한 곡선} 200~10kHz의 다양한 주파수에서 /TaN 커패시터 비정질 ZrO_{x의 강유전체와 같은 거동을 볼 수 있습니다.} 필름은 모든 주파수에서 안정적으로 유지됩니다. 그러나 P _r 무정형 ZrO_x 주파수가 증가하면 필름이 감소합니다. 이 현상은 높은 측정 주파수에서 불완전한 쌍극자 스위칭으로 설명될 수 있습니다[36, 37]. 측정 주파수가 증가함에 따라 비정질 ZrO_{x에서 전기장의 방향이 변하는 시간} 필름이 감소합니다. 따라서 산소 결손 쌍쌍 전환의 일부가 불완전하여 감소된 P를 제공합니다. _r .

측정된 P 대 V 4.2nm ZrO_{x의 특성} a가 있는 커패시터 V의 다양한 스위핑 범위 그리고 b 다양한 측정 주파수

그림 3a는 측정된 I를 보여줍니다. _DS –V _GS 강유전성 Al₂의 곡선 O₃ /HfO₂ V의 NCFET _DS - 0.05 V 및 - 0.5 V. L _G 기기의 크기는 3μm입니다. 0.14V의 히스테리시스 루프(V _DS =− 0.05 V, 나 _ds =1nA/μm) 및 0.08V(V _DS =− 0.5 V, I _ds =1 nA/μm)가 각각 설명됩니다. 시계 방향 히스테리시스 루프는 산소 결손 및 동반된 음전하의 이동에 기인합니다. 산소 결손 쌍극자는 Ge/Al₂에 축적(고갈)됩니다. O₃ 양수(음수) V 아래의 인터페이스 _GS . 따라서 임계 전압(V _TH ) 게이트 전압의 순방향(역방향) 스위핑에서 증가(감소)합니다. 그림 3b와 같이 Al₂의 출력 특성은 O₃ /HfO₂ NCFET와 제어 FET를 비교합니다. Al₂의 포화 전류 O₃ /HfO₂ NCFET는 |V에서 제어 FET에 비해 23% 상승하여 26μA/μm를 초과합니다. _GS –V _TH | =|V _DS |=0.8 V. 전류 향상은 증가된 역전하 강도(Q _인보이스 ) 역분극 전기장과 표면 전위의 증폭 [38, 39]. 현재 향상 외에도 얻은 명백한 NDR은 비정질 HfO₂의 NC 효과를 증명합니다. 영화. NDR 효과는 V와 같은 드레인-채널 커플링으로 인한 산소 결손 쌍극자의 불완전한 전환으로 인해 발생합니다. _DS 증가한다[40, 41]. 그림 3c는 측정된 게이트 누설 I를 비교합니다. _G –V _GS 5nm Al₂에 대한 곡선 O₃ /HfO₂ V의 NCFET _DS - 0.05 V 및 - 0.5 V. I의 급격한 하락 _G 역방향 스위핑 동안에만 비정질 HfO₂에서 감소된 전압을 나타냅니다. 막과 표면 전위의 증폭 [42]. 순방향 스위핑 동안 NC 효과가 없는 것은 비정질 HfO₂에서 산소 결손 쌍극자의 부분적 전환으로 인해 발생합니다. 영화[43]. Al₂ 사이에 산소 원자를 포함하는 다른 능력 O₃ 및 HfO₂ 층은 Al₂에서 산소 재분배 및 음의 계면 쌍극자로 이어집니다. O₃ /HfO₂ 인터페이스 [44, 45]. 음의 계면 쌍극자가 있기 때문에 비정질 HfO₂ 순방향 스위핑(추가 파일 1)에서 완전한 편광 전환(NC 효과)을 실현하는 필름.

아 측정된 나 _DS –V _GS 5nm HfO₂의 곡선 V일 때 NCFET _DS =− 0.5V 및 V _DS =− 0.05 V. b 측정된 나 _DS –V _DS HfO₂의 곡선 NCFET 및 제어 MOSFET. ㄷ 측정된 나 _G –V _GS 5nm HfO₂의 곡선 V일 때 NCFET _DS =− 0.5V 및 V _DS =− 0.05 V

그림 4a는 강유전체 ZrO_{x의 측정된 전달 곡선을 보여줍니다.} V의 NCFET _DS - 0.05 V 및 - 0.5 V. L _G 두 기기 중 4μm입니다. 0.24V의 시계 방향 히스테리시스 루프(V _DS =− 0.05 V, 나 _ds =1nA/μm) 및 0.14V(V _DS =− 0.5 V, I _DS =1 nA/μm)가 각각 설명됩니다. 그림 4b와 같이 ZrO_{x의 출력 특성은} NCFET와 제어 FET를 비교합니다. ZrO_{x의 포화 전류} NCFET는 30μA/μm를 초과하며 |V에서 제어 FET에 비해 12% 상승 _GS –V _TH | =|V _DS |=1 V. 향상된 전류 향상 및 보다 분명한 NDR은 비정질 ZrO_{x의 향상된 NC 효과를 나타냅니다.} 5nm HfO₂의 필름(5nm) 대비 영화. 그림 4c는 측정된 게이트 누설 I를 비교합니다. _G –V _GS 5nm ZrO_{x에 대한 곡선} V의 NCFET _DS − 0.05 V 및 − 0.5 V. 갑작스러운 I와 비교 _G Al₂ 방울 O₃ /HfO₂ NCFET는 그림 3c에서 역방향 스위핑 동안에만 I의 급격한 하락 _G 그림 4c의 순방향 및 역방향 스위핑 모두 비정질 ZrO_{x에서 향상된 NC 효과를 입증합니다.} 영화.

아 측정된 나 _DS –V _GS 5nm ZrO_{x의 곡선} V일 때 NCFET _DS =− 0.5V 및 V _DS =− 0.05 V. b 측정된 나 _DS –V _DS ZrO_{x의 곡선} 명백한 NDR 현상을 보여주는 NCFET 및 제어 MOSFET. ㄷ 측정된 나 _G –V _GS 5nm ZrO_{x의 곡선} V일 때 NCFET _DS =− 0.5V 및 V _DS =− 0.05 V

그림 5a, b는 I의 함수로 점 SS를 보여줍니다. _DS Al₂용 O₃ /HfO₂ 및 ZrO_x V의 NCFET _DS - 0.05 V 및 - 0.5 V. 그림 5b에서 볼 수 있듯이, V의 순방향 또는 역방향 스위핑 중에 sub-60mV/decade 하위 임계값 스윙(SS)을 달성할 수 있습니다. _GS V에서 _DS of− 0.05 V 및 - 0.5 V. V일 때 _DS is− 0.05V, 45.1mV/dec의 포인트 포워드 SS 및 55.2mV/dec의 포인트 리버스 SS가 달성되었습니다. V일 때 _DS is− 0.5V, 51.16mV/dec의 포인트 포워드 SS 및 46.52mV/dec의 포인트 리버스 SS가 달성되었습니다. Al₂의 소거 효과가 다르기 때문에 O₃ /HfO₂ 및 ZrO_x 레이어, 부분 쌍극자 스위칭은 Al₂에서 발생합니다. O₃ /HfO₂ 엔씨펫. 따라서 5nm ZrO_{x에서 sub-60mV/decade SS의 보다 분명한 NC 효과를 얻을 수 있습니다.} 엔씨펫.

I의 함수로서의 점 SS _DS a 알₂ O₃ /5nm HfO₂ NCFET 및 b 5nm ZrO_x NCFET