[論文レビュー] Steep Slope MoS2 2D Transistors: Negative Capacitance and Negative Differential Resistance

Mengwei Si, Chun-Jung Su+9 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2017

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices被引用数 5

ひとこと要約

本論文は、フェロエレクトリックジルコニウムホスファート酸化ハフニウム（HZO）ゲート酸化膜を有するMoS2 2次元トランジスタを示しており、負の静電容量を活用することでボルツマン熱力学的限界を打ち破り、室温で5.6 mV/decという記録的なサブスレッショルドスロープと負の微分抵抗（NDR）を達成した。このデバイスは、2次元MoS2の優れた静電的制御特性とHZOのフェロエレクトリック特性を組み合わせることで、超低消費電力動作を実現した。

ABSTRACT

The so-called Boltzmann Tyranny (associated with the Boltzmann distribution of electrons) defines the fundamental thermionic limit of the subthreshold slope (SS) of a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) at 60 mV/dec at room temperature, which prohibits the decrease of the supply voltage and the power consumption. Adding a ferroelectric negative capacitor in the gate stack of a MOSFET is one of the promising solutions to break this thermionic limit. Meanwhile, 2-dimensional (2D) semiconductors, such as transition metal dichalcogenides (TMDs), due to its atomically thin layered channel, low dielectric constant, and ease of integration in a junctionless transistor topology, offer the best electrostatic control of the channel. Here, we combine these two advantages and demonstrate for the first time molybdenum disulfide (MoS2) 2D steep slope transistors using ferroelectric hafnium zirconium oxide (HZO) as part of the gate dielectric stack. These transistors exhibit extraordinary performance in both on-states and off-states, with maximum drain current of 510 {\mu}A/{\mu}m, minimum SS of 5.6 mV/dec. Negative differential resistance (NDR) was observed at room temperature on the MoS2 negative capacitance field-effect-transistors (NC-FETs) as the result of negative capacitance induced negative drain-induced-barrier-lowering (DIBL). High on-current induced self-heating effect was also observed and studied.

研究の動機と目的

• MOSFETにおける根本的なボルツマン熱力学的限界60 mV/decを超えて、低消費電力化を実現する。
• フェロエレクトリックHZOの負の静電容量効果を活用し、静電的制御を強化し、サブスレッショルドスイングを低減する。
• 原子層厚さで誘電率が低いMoS2チャネルを活用し、優れたゲート制御とスケーラビリティを実現する。
• 室温で動作する急峻スイッチング特性を示すトランジスタと負の微分抵抗（NDR）を実証し、新たな低消費電力論理応用を創出する。

提案手法

• MoS2ベースのフィールド効果トランジスタに、フェロエレクトリックジルコニウムホスファート酸化ハフニウム（HZO）をゲート酸化膜スタックの一部として統合する。
• 2次元MoS2チャネルの原子層厚さを活かし、ジャンクションレストランジスタトポロジーを採用することで静電的制御を最大化する。
• HZOの負の静電容量効果を活用し、負のドレイン誘導型障壁低下（DIBL）を誘発させ、熱的スイッチングを下回るサブスレッショルドスイングを実現する。
• 室温下でのデバイス特性を評価し、サブスレッショルドスロープ、オン電流、NDR挙動に注目して分析する。
• 2次元チャネルにおける高オン電流動作に起因する自己加熱効果を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲートスタックにフェロエレクトリックHZOを組み込むことで、室温下のMoS2 2次元トランジスタで60 mV/dec未満のサブスレッショルドスイングを達成できるか？
• RQ2 HZOに起因する負の静電容量が、MoS2 FETにおけるドレイン誘導型障壁低下（DIBL）にどのように影響を与えるか？
• RQ3 高オン電流が、負の静電容量を有する2次元MoS2トランジスタにおける自己加熱に与える影響は何か？
• RQ4 室温下でMoS2 NC-FETに負の微分抵抗（NDR）を実験的に観測できるか？
• RQ5 MoS2の2次元特性が、負の静電容量トランジスタにおける静電的制御をどの程度向上させるか？

主な発見

• MoS2負の静電容量FETは、室温で5.6 mV/decという記録的なサブスレッショルドスロープを達成し、60 mV/decのボルツマン限界を著しく下回った。
• 最大オン電流は510 μA/μmに達し、オン状態における強い電流駆動能力を示した。
• 負の静電容量に起因する負のDIBL効果により、室温下で負の微分抵抗（NDR）が観測された。
• 高オン電流動作に起因する自己加熱効果が測定可能であり、実験的に評価され、デバイス特性と相関づけられた。
• 2次元MoS2とフェロエレクトリックHZOの統合により、急峻スイッチングと新規なNDR挙動を示す、超低消費電力トランジスタの新分野が実現された。