[논문 리뷰] Trap-Enhanced Steep-Slope Negative-Capacitance FETs Using Amorphous Oxide Semiconductors

Yungyeong Park, Hakseon Lee외 1명|arXiv (Cornell University)|2026. 03. 06.

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices인용 수 0

한 줄 요약

이 논문은 채널 트랩 밀도가 급경사 작동에 어떤 영향을 미치는지 연구하기 위해 AOS 기반 음의 커패시턴스 FET 모델을 개발하고, 트랩이 NC 효과와 급작스러운 스위칭을 향상시킬 수 있음을 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• AOS 재료를 사용한 BEOL 호환 트랜지스터를 단일화된 3D 통합을 위한 동기를 부여한다.
• AOS 채널에서 높은 트랩 밀도로 인해 발생하는 성능 저하를 해결한다.
• AOS 기반 트랜지스터에 음의 커패시턴스 동작을 도입한다.
• MOSFET 및 NCFET에서 채널 내 트랩이 급경사(SS) 거동에 어떤 영향을 주는지 조사한다.
• 포획된 전하가 NC 계층 전위 및 스위칭에 미치는 물리적 기전을 제시한다.

제안 방법

• 트랩 효과를 연구하기 위한 AOS 기반 NCFET 모델을 개발한다.
• MOSFET 및 NCFET에서 트랩 밀도와 서브임계 스윙(subthreshold swing) 간의 관계를 분석한다.
• 트랩 밀도 증가가 MOSFET의 SS를 증가시키지만 NCFET의 SS는 감소시킴을 보인다.
• 급경사 SS를 NC 계층 전위 감소를 강화하는 포획된 전하에 기인한다고 설명한다.
• 트랩을 급작스러운 소자 스위칭 및 BEOL 적용성과 연결하는 물리적 해석을 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 AOS 채널의 트랩이 기존 MOSFET의 서브임계 스윙에 NC-FET과 비교하여 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 음의 커패시턴스 동작이 채널 트랩을 완화하거나 활용하여 AOS 기반 트랜지스터에서 더 가파른 스위칭을 달성할 수 있는가?
• RQ3 포획된 전하가 AOS NCFET의 NC 계층 및 소자 스위킹에 영향을 미치는 물리적 기전은 무엇인가?

주요 결과

• 트랩 밀도 증가가 MOSFET의 서브임계 스윙(SS)을 더 크게 만든다.
• 트랩 밀도 증가가 NCFET의 SS를 더 낮춘다.
• 포획된 전하가 NC 계층의 음전위 감소를 증가시킨다.
• 이 강화는 NCFET에서 급작스러운 소자 스위칭을 가능하게 한다.
• 연구 결과는 NC 효과를 가진 AOS를 활용한 BEOL 트랜지스터 개발을 가속화하는 것을 뒷받침한다.