[論文レビュー] Black Phosphorus p-MOSFETs with High Transconductance and Nearly Ideal Subthreshold Slope

Nazila Haratipour, Matthew C. Robbins+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 30, 2014

2D Materials and Applications参考文献 9被引用数 10

ひとこと要約

本論文では、局所的にパターンされたバックゲートとHfO2ゲート酸化膜を用いた高効率なブラックホワイトリン酸塩p-MOSFETを提示しており、Vds = -3 Vで101 μS/μmの記録的な外部トランスコンダクタンスを達成し、室温でほぼ理想に近い66 mV/decadeのサブスレッショルドスロープを実現した。7-nmのHfO2と0.3-μmのゲート長を有するデバイスは204 μS/μmのトランスコンダクタンスを達成し、2次元半導体トランジスタとして顕著な性能を示した。

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.

研究の動機と目的

• 高ホール移動度を示す有望な2次元半導体としてのブラックホワイトリン酸塩を用いた高効率p型MOSFETの開発を目的とする。
• 誘電体およびゲートジオメトリの最適化により、2次元材料トランジスタにおけるサブスレッショルドスイングおよびトランスコンダクタンスの制限を克服することを目的とする。
• 室温下でほぼ理想に近いサブスレッショルド特性と高いトランスコンダクタンスを示すブラックホワイトリン酸塩p-MOSFETの実証を目的とする。
• ゲート酸化膜厚さと有効ゲート長の短縮を用いて、ブラックホワイトリン酸塩トランジスタのスケーラビリティを検討することを目的とする。

提案手法

• 薄い、数層のフラックを取得するために機械的剥離法を用いたブラックホワイトリン酸塩p-MOSFETのプロセス。
• 正確な電界効果制御と寄生抵抗の低減を可能にするために、局所的にパターンされたバックゲートの実装。
• 高κゲート酸化膜として、原子層蒸着法で堆積した20-nmおよび7-nmのHfO2誘電体の使用。
• トランスコンダクタンスおよびサブスレッショルドスロープを抽出するために、変化するドレイン-ソース電圧（Vds）および温度の下でのデバイス特性の測定。
• 半導体-誘電体界面およびサブスレッショルド挙動の内在的品質を評価するために、温度依存分析を実施。
• 異なるVdsおよび温度におけるトランスファ特性から、外部トランスコンダクタンス（gm）およびサブスレッショルドスロープ（SS）を抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ブラックホワイトリン酸塩p-MOSFETは、従来のシリコンベースデバイスと同等の高いトランスコンダクタンスを達成できるか？
• RQ2 ブラックホワイトリン酸塩p-MOSFETで達成可能な最小のサブスレッショルドスロープは何か？室温下で60 mV/decadeの理想値に近づくか？
• RQ3 ゲート酸化膜厚さと有効ゲート長を短縮することで、トランスコンダクタンスおよびサブスレッショルド性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 ブラックホワイトリン酸塩とHfO2の界面品質がデバイス性能に及ぼす影響はどの程度か？
• RQ5 ブラックホワイトリン酸塩p-MOSFETは、スケーリングされたゲート寸法下でも高い性能を維持できるか？

主な発見

• 20-nmのHfO2とLeff = 1.0 μmを有するブラックホワイトリン酸塩p-MOSFETは、Vds = -3 Vで外部トランスコンダクタンス101 μS/μmを達成した。
• 室温およびVds = -0.1 V下で、サブスレッショルドスロープは最小値66 mV/decadeに達し、ほぼ理想に近いスイッチング動作を示した。
• 7-nmのHfO2誘電体およびLeff = 0.3 μmを有するデバイスは、Vds = -1.5 Vでピーク外部トランスコンダクタンス204 μS/μmを示した。
• 温度依存測定により、界面準位密度が低く、半導体-誘電体界面の高品質が確認された。
• 結果として、ブラックホワイトリン酸塩は2次元エレクトロニクスにおける高効率・低消費電力p型トランジスタの有力候補であることが示された。
• 特にトランスコンダクタンスおよびサブスレッショルドスロープという性能指標は、論文発表当時、ブラックホワイトリン酸塩p-MOSFETで記録的な値を達成した。