[論文レビュー] Trap-Enhanced Steep-Slope Negative-Capacitance FETs Using Amorphous Oxide Semiconductors

Yungyeong Park, Hakseon Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2026

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices被引用数 0

ひとこと要約

この論文はAOSベースのネガティブ容量FETモデルを開発し、チャネルのトラップ密度が急峻なスイッチング特性にどのように影響するかを研究し、トラップがNC効果を高め、急峻な切替を生み出すことを示す。

ABSTRACT

Amorphous oxide semiconductors (AOSs) have recently gained attention as a promising channel material of back-end-of-line (BEOL)-compatible transistors for monolithic three-dimensional (3D) integrations. However, the degradation in device performance resulting from the high trap densities in AOS, compared to conventional crystalline channel materials, has remained an intractable issue. We introduce the negative-capacitance (NC) operation into the AOS-based transistors. Negative-capacitance field-effect transistors (NCFETs) have been proposed for low-power devices, enabling sub-60 mV/decade subthreshold swing SS induced by a ferroelectric layer. In this work, we develop an AOS NCFET model to investigate the influence of traps within the channel on the steep-slope operation. It is revealed that as the trap density of the channel increases, SS of the MOSFET increases, while the SS of the NCFET decreases. The physical interpretation for steep SS is attributed to the fact that the trapped charges enhance the negative potential drop of the NC layer, enabling the abrupt device switching. This finding will accelerate the development of BEOL transistors and other applications based on the AOS materials in conjunction with the NC effect.

研究の動機と目的

• BEOL適合トランジスタを用いた単一モノリシック3D統合をAOS材料で推進する。
• AOSチャネルにおける高トラップ密度が生む性能低下に対処する。
• AOSベースのトランジスタにネガティブ容量動作を導入する。
• MOSFETとNCFETにおける急峻なSS挙動に対して、チャネル内トラップがどのように影響するかを調査する。
• トラップされた電荷がNC層のポテンシャルとスイッチングに与える物理的解釈を提供する。

提案手法

• トラップ効果を研究するAOSベースのNCFETモデルを開発する。
• MOSFETとNCFETのサブスレッショルドスイングとトラップ密度の関係を分析する。
• トラップ密度の増加はMOSFETのSSを上げるがNCFETのSSは下げることを示す。
• 急峻なSSはNC層を横断する負の電位降下をトラップされた電荷が強化することに起因すると説明する。
• トラップと急峻なデバイス切替およびBEOL適用性の結びつきを物理的に解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 AOSチャネル内のトラップは従来のMOSFETのサブスレッショルドスイングをNCFETと比較してどのように影響するか。
• RQ2 ネガティブ容量動作はチャネル트ラップを緩和または活用してAOSベーストランジスタをより急峻に切り替えることができるか。
• RQ3 トラップされた電荷がAOS NCFETのNC層とデバイス切替に及ぼす物理機構は何か。

主な発見

• トラップ密度の増加はMOSFETのサブスレッショルドスイングを大きくする。
• トラップ密度の増加はNCFETのSSを小さくする。
• トラップされた電荷はNC層の負の電位降下を強化する。
• この強化によりNCFETで急峻なデバイス切替が可能となる。
• これらの知見はNC効果を伴うAOSを用いたBEOLトランジスタ開発を加速することを支持する。