[논문 리뷰] Black Phosphorus p-MOSFETs with High Transconductance and Nearly Ideal Subthreshold Slope

Nazila Haratipour, Matthew C. Robbins외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 30.

2D Materials and Applications참고 문헌 9인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 국소적으로 패턴화된 백게이트와 HfO2 절연체를 갖춘 고성능 블랙 포스포르스 p-MOSFET를 제시하며, Vds = -3 V에서 기록적인 외부 전도도 101 μS/μm를 달성하고, 실온에서 거의 이상적인 서브스텝 스위치 슬로프 66 mV/세대를 보였다. 7-nm HfO2와 0.3-μm 게이트 길이를 갖는 장치는 204 μS/μm의 전도도를 기록하여 2차원 반도체 트랜지스터의 놀라운 성능을 입증했다.

ABSTRACT

We report record performance for black phosphorus p-MOSFETs. The devices have locally patterned back gates and 20-nm-thick HfO2 gate dielectrics. Devices with effective gate length, Leff = 1.0 um display extrinsic transconductance, gm, of 101 uS/um at a drain-to-source bias voltage, Vds = -3 V. Temperature-dependent analysis also shows that the subthreshold slope, SS, is nearly ideal, with a minimum value of SS = 66 mV/decade at room temperature and Vds = -0.1 V. Furthermore, devices with 7-nm HfO2 dielectrics and Leff = 0.3 um displayed gm as high as 204 uS/um at Vds = -1.5 V.

연구 동기 및 목표

• 고정공이 높은 정공 이동도를 지닌 유망한 2차원 반도체인 블랙 포스포르스를 기반으로 한 고성능 p형 MOSFET 개발
• 절연체 및 게이트 기하구조 최적화를 통해 2차원 재료 트랜지스터의 서브스텝 스위치 성능과 전도도의 한계를 극복하기 위해
• 실온에서 블랙 포스포르스 p-MOSFET의 거의 이상적인 서브스텝 특성과 높은 전도도를 입증하기 위해
• 게이트 절연체 두께와 효과적 게이트 길이를 줄여 블랙 포스포르스 트랜지스터의 스케일러빌리티를 탐색하기 위해

제안 방법

• 얇고 소수의 층을 가진 플레인을 확보하기 위해 기계적 분리 기법을 사용한 블랙 포스포르스 p-MOSFET 제작
• 정밀한 전기적 제어를 가능하게 하고 부속 저항을 감소시키기 위해 국소적으로 패턴화된 백게이트를 구현
• 고κ 게이트 옥사이드로 사용하기 위해 원자층 증착을 통해 20-nm 및 7-nm 두께의 HfO2 절연체를 도핑
• 전도도와 서브스텝 스위치 슬로프를 추출하기 위해 다양한 드레인-소스 전압(Vds)과 온도 조건에서 장치 특성 측정
• 반도체-절연체 인터페이스의 내재적 품질과 서브스텝 거동을 평가하기 위해 온도 의존성 분석 수행
• 다양한 Vds와 온도에서의 전이 특성에서 외부 전도도(gm)와 서브스텝 스위치 슬로프(SS) 추출

실험 결과

연구 질문

• RQ1 블랙 포스포르스 p-MOSFET는 기존 Si 기반 장치 수준의 높은 전도도를 달성할 수 있는가?
• RQ2 블랙 포스포르스 p-MOSFET에서 도달 가능한 최소 서브스텝 스위치 슬로프는 얼마이며, 실온에서 이상적인 60 mV/세대에 가까운가?
• RQ3 게이트 절연체 두께와 효과적 게이트 길이를 줄일 경우 전도도와 서브스텝 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 블랙 포스포르스와 HfO2 사이의 인터페이스 품질이 장치 성능에 어느 정도 영향을 미치는가?
• RQ5 게이트 치수를 축소해도 블랙 포스포르스 p-MOSFET는 높은 성능을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 20-nm HfO2와 Leff = 1.0 μm를 갖는 블랙 포스포르스 p-MOSFET는 Vds = -3 V에서 외부 전도도 101 μS/μm를 기록했다.
• 실온에서 Vds = -0.1 V 조건에서 서브스텝 스위치 슬로프가 최소 66 mV/세대에 도달하여 거의 이상적인 스위칭 거동을 나타냈다.
• 7-nm HfO2 절연체와 Leff = 0.3 μm를 갖는 장치는 Vds = -1.5 V에서 최대 외부 전도도 204 μS/μm를 기록했다.
• 온도 의존성 측정 결과, 낮은 인터페이스 트랩 밀도와 고품질의 반도체-절연체 인터페이스를 확인했다.
• 결과적으로 블랙 포스포르스는 2차원 전자공학에서 고성능 저전력 p형 트랜지스터의 강력한 후보임을 입증했다.
• 특히 전도도와 서브스텝 스위치 슬로프와 같은 성능 지표가 발표 당시 블랙 포스포르스 p-MOSFET에서 기록적인 수준을 달성했다.