[論文レビュー] A Ferroelectric Semiconductor Field-Effect Transistor

Mengwei Si, Saha, Atanu K.+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2018

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用数 16

ひとこと要約

本論文では、2次元α-In2Se3をチャネル材料として用いた鉄電性半導体フィールド効果トランジスタ（FeFET）を提案する。これは、その内在的な鉄電性と半導体的性質を活用したものである。原子層エピタクシー法で形成したAl2O3の表面被覆とHfO2ゲート酸化膜を統合することで、高いオン/オフ比（>10⁸）、大きなメモリウインドウ、低電圧動作を実現し、安定した非揮発性メモリ機能を示し、耐久性と性能が向上した。

ABSTRACT

Ferroelectric field-effect transistors employ a ferroelectric material as a gate insulator, the polarization state of which can be detected using the channel conductance of the device. As a result, the devices are of potential to use in non-volatile memory technology, but suffer from short retention times, which limits their wider application. Here we report a ferroelectric semiconductor field-effect transistor in which a two-dimensional ferroelectric semiconductor, indium selenide (α-In2Se3), is used as the channel material in the device. α-In2Se3 was chosen due to its appropriate bandgap, room temperature ferroelectricity, ability to maintain ferroelectricity down to a few atomic layers, and potential for large-area growth. A passivation method based on the atomic-layer deposition of aluminum oxide (Al2O3) was developed to protect and enhance the performance of the transistors. With 15-nm-thick hafnium oxide (HfO2) as a scaled gate dielectric, the resulting devices offer high performance with a large memory window, a high on/off ratio of over 108, a maximum on-current of 862 μA μm-1, and a low supply voltage.

研究の動機と目的

• 内在的な鉄電性半導体を用いて、耐久性と性能が向上した非揮発性メモリデバイスの開発を目的とする。
• 従来の鉄電性FETにおける短い保持時間の問題を、2次元鉄電性半導体チャネルを用いることで解決することを目的とする。
• 原子層エピタクシー法によるAl2O3被覆を用いることで、デバイスの安定性と性能を向上させることを目的とする。
• 薄いHfO2ゲート酸化膜を用いることで、スケーラブルで低電圧動作を実現することを目的とする。

提案手法

• 室温での鉄電性とチューナブルなバンドギャップを有するため、2次元鉄電性半導体α-In2Se3をチャネル材料として採用した。
• α-In2Se3表面の保護と界面準位の低減を目的として、アルミニウム酸化物（Al2O3）の原子層エピタクシー法（ALD）による被覆層を用いた。
• 低電圧動作を可能とするために、15-nm厚のジルコニア酸化物（HfO2）層をゲート酸化膜として用いた。
• チャネル電導度の変調を用いて電気的に鉄電性分極のスイッチングをプローブし、非揮発性メモリ動作を実現した。
• さまざまなゲート電圧および温度条件下でのトランスファ特性および保持特性の測定を通じて、デバイスの性能を評価した。
• 2次元α-In2Se3と高κ酸化膜、被覆層の統合により、高いオン/オフ比と大きなメモリウインドウが実現された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2次元鉄電性半導体であるα-In2Se3を、安定した非揮発性メモリを実現する鉄電性FETのチャネル材料として効果的に利用できるか？
• RQ2 Al2O3被覆は、α-In2Se3ベースのFeFETの電気的性能と安定性にどのように寄与するか？
• RQ3 薄いHfO2ゲート酸化膜を用いることで、デバイスの動作電圧とメモリウインドウにどのような影響を与えるか？
• RQ4 従来のFETにおける鉄電性材料の固有の不安定性にもかかわらず、デバイスは長時間の保持性能を維持できるか？
• RQ5 α-In2Se3の2次元性は、鉄電性メモリデバイスにおけるスケーラビリティおよび大面積統合にどの程度寄与するか？

主な発見

• オン/オフ比が10⁸を超える高い値を達成しており、優れたスイッチング特性と低いリーク電流を示している。
• 最大オン電流として862 μA/μmが測定され、高いチャネル移動度と良好なキャリア輸送特性を示している。
• 大きなメモリウインドウを示しており、効果的な分極スイッチングと非揮発性電荷貯蔵が確認された。
• Al2O3被覆層により界面準位密度が顕著に低減され、デバイスの安定性と性能が向上した。
• 15-nm厚のHfO2をゲート酸化膜として用いることで、低電圧動作が可能になり、消費電力が削減された。
• デバイスは安定した鉄電性スイッチングと長寿命の保持特性を維持しており、従来の鉄電性FETの主な限界を克服した。