[논문 리뷰] A Ferroelectric Semiconductor Field-Effect Transistor

Mengwei Si, Saha, Atanu K.외 10명|arXiv (Cornell University)|2018. 12. 07.

Semiconductor Lasers and Optical Devices인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 2차원 α-In2Se3를 채널 재료로 사용하여 고유한 페로일렉트릭성과 반도체 성질을 갖는 페로일렉트릭 반도체 필드효과트랜지스터(FeFET)를 제안한다. 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용한 Al2O3 피복층과 HfO2 게이트 산화막을 통합함으로써, 고온/저전압 동작이 가능하고, 고온의 on/off 비율(>10⁸), 큰 메모리 윈도우, 안정적인 비휘관성 메모리 기능을 실현하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고유한 페로일렉트릭 반도체를 이용하여 향상된 유지시간과 성능을 확보한 비휘관성 메모리 장치를 개발한다.
• 기존 페로일렉트릭 FET의 짧은 유지시간 문제를 해결하기 위해 2차원 페로일렉트릭 반도체 채널을 활용한다.
• 원자층증착(Al2O3)을 통한 피복층을 도입하여 장치의 안정성과 성능을 향상시킨다.
• 박막 HfO2 게이트 산화막을 사용하여 확장 가능하고 저전압 동작이 가능한 장치를 구현한다.

제안 방법

• 실온에서 페로일렉트릭성을 가지며 밴드 갭 조절이 가능한 2차원 페로일렉트릭 반도체인 α-In2Se3를 채널 재료로 선택하였다.
• α-In2Se3 표면을 보호하고 인터페이스 트랩을 감소시키기 위해 원자층증착(Atomic Layer Deposition, ALD)을 이용한 알루미나(Al2O3) 피복층을 사용하였다.
• 저전압 동작을 가능하게 하기 위해 15-nm 두께의 하프니우스 산화물(HfO2)을 게이트 산화막으로 사용하였다.
• 채널 전도도 조절을 통한 전기적 페로일렉트릭 극성 전환을 측정하여 비휘관성 메모리 동작을 구현하였다.
• 다양한 게이트 전압과 온도 조건에서 전이 특성 및 유지시간 측정을 통해 장치 성능을 특성화하였다.
• 2D α-In2Se3와 고κ 절연막, 피복층의 통합을 통해 고온의 on/off 비율과 큰 메모리 윈도우를 실현하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 α-In2Se3와 같은 2차원 페로일렉트릭 반도체가 페로일렉트릭 FET의 채널 재료로 효과적으로 사용될 수 있는가? 이는 안정적인 비휘관성 메모리 기능을 실현할 수 있는가?
• RQ2 Al2O3 피복층이 α-In2Se3 기반 FeFET의 전기적 성능과 안정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 박막 HfO2 게이트 산화막을 사용할 경우 장치의 동작 전압과 메모리 윈도우에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기존 FET에서 페로일렉트릭 재료의 본질적 불안정성에도 불구하고, 장치가 장시간 유지시간을 유지할 수 있는가?
• RQ5 α-In2Se3의 2차원 특성이 페로일렉트릭 메모리 장치의 확장성 및 대면적 통합에 얼마나 기여하는가?

주요 결과

• 고온의 on/off 비율(10⁸ 초과)을 확보하여 우수한 스위칭 특성과 낮은 누설 전류를 입증하였다.
• 최대 on 전류로 862 μA/μm를 측정하여 높은 채널 이동도와 양호한 운반자 이동성 특성을 입증하였다.
• 큰 메모리 윈도우를 나타내어 효과적인 극성 전환과 비휘관성 전하 저장이 가능함을 확인하였다.
• Al2O3 피복층이 인터페이스 트랩 밀도를 크게 감소시켜 장치의 안정성과 성능을 향상시켰다.
• 15-nm 두께의 HfO2를 게이트 산화막으로 사용함으로써 저전압 동작이 가능해져 전력 소모를 감소시켰다.
• 장치는 안정적인 페로일렉트릭 극성 전환과 긴 유지시간을 유지하여 기존 페로일렉트릭 FET의 핵심 한계를 극복하였다.