[논문 리뷰] Steep Slope MoS2 2D Transistors: Negative Capacitance and Negative Differential Resistance

Mengwei Si, Chun-Jung Su외 9명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 23.

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 2차원 MoS2 트랜지스터에 페로일렉트릭 하프니움지르코늄산화물(HZO) 게이트 도전체를 통합하여, 빛의 열역학적 한계를 초월하는 기록적인 5.6 mV/dec의 서브스럽스플로프를 실현하고, 실온에서 부정적 차동 저항(NDR)을 관측하였다. 이는 음의 정전용량 효과를 활용하여 볼츠만 열역학적 한계를 돌파한 것이다. 장치는 2차원 MoS2의 뛰어난 전기적 제어 능력과 HZO의 페로일렉트릭 성질을 조합하여 초저전력 동작을 가능하게 한다.

ABSTRACT

The so-called Boltzmann Tyranny (associated with the Boltzmann distribution of electrons) defines the fundamental thermionic limit of the subthreshold slope (SS) of a metal-oxide-semiconductor field-effect transistor (MOSFET) at 60 mV/dec at room temperature, which prohibits the decrease of the supply voltage and the power consumption. Adding a ferroelectric negative capacitor in the gate stack of a MOSFET is one of the promising solutions to break this thermionic limit. Meanwhile, 2-dimensional (2D) semiconductors, such as transition metal dichalcogenides (TMDs), due to its atomically thin layered channel, low dielectric constant, and ease of integration in a junctionless transistor topology, offer the best electrostatic control of the channel. Here, we combine these two advantages and demonstrate for the first time molybdenum disulfide (MoS2) 2D steep slope transistors using ferroelectric hafnium zirconium oxide (HZO) as part of the gate dielectric stack. These transistors exhibit extraordinary performance in both on-states and off-states, with maximum drain current of 510 {\mu}A/{\mu}m, minimum SS of 5.6 mV/dec. Negative differential resistance (NDR) was observed at room temperature on the MoS2 negative capacitance field-effect-transistors (NC-FETs) as the result of negative capacitance induced negative drain-induced-barrier-lowering (DIBL). High on-current induced self-heating effect was also observed and studied.

연구 동기 및 목표

• MOSFET의 기본적인 볼츠만 열역학적 한계인 60 mV/dec를 초월하여 더 낮은 전력 소모를 가능하게 하기 위해.
• 페로일렉트릭 HZO의 음의 정전용량 효과를 활용하여 전기적 제어 능력을 향상시키고 서브스럽스플로프를 감소시키기 위해.
• 원자 두께의 얇은 MoS2 채널을 이용하여 낮은 유전율을 확보하고, 우수한 게이트 제어 및 스케일링 능력을 확보하기 위해.
• 스위칭 경사가 급격한 트랜지스터와 부정적 차동 저항(NDR)을 실온에서 구현하여 새로운 초저전력 논리 응용을 위한 기반을 마련하기 위해.

제안 방법

• MoS2 기반의 필드효과 트랜지스터에 페로일렉트릭 하프니움지르코늄산화물(HZO)을 게이트 도전체 스택의 일부로 통합하였다.
• 2차원 MoS2 채널의 원자 두께를 활용하여 전기적 제어 능력을 극대화하는 절연체 없는 트랜지스터 구조를 채택하였다.
• HZO의 음의 정전용량 효과를 활용하여 음의 드레인 유도 터널링 에너지 장벽 저하(Negative DIBL)를 유도하고, 열역학적 이론을 초월하는 서브스럽스플로프를 실현하였다.
• 실온에서의 장치 성능을 측정하여 서브스럽스플로프, 온 전류, NDR 행동에 중점을 두고 분석하였다.
• 2차원 채널에서 높은 온 전류 작동으로 인한 자가 heating 효과를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게이트 스택에 페로일렉트릭 HZO를 통합한 MoS2 2차원 트랜지스터에서 실온에서 60 mV/dec 이하의 서브스럽스플로프를 달성할 수 있는가?
• RQ2 HZO의 음의 정전용량이 MoS2 FET의 드레인 유도 터널링 에너지 장벽 저하(DIBL)에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 높은 온 전류가 2차원 MoS2 트랜지스터에서 자가 heating 효과에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 실온에서 MoS2 NC-FET에서 부정적 차동 저항(NDR)을 실험적으로 관측할 수 있는가?
• RQ5 MoS2의 2차원 특성이 음의 정전용량 트랜지스터에서 전기적 제어 능력을 얼마나 향상시키는가?

주요 결과

• MoS2 음의 정전용량 FET는 실온에서 기록적인 5.6 mV/dec의 서브스럽스플로프를 달성하여, 볼츠만 한계인 60 mV/dec를 크게 하회하였다.
• 최대 온 전류는 510 μA/μm로 측정되어 온 상태에서 높은 전류 구동 능력을 보였다.
• 음의 정전용량에 의해 유도된 음의 DIBL로 인해 실온에서 부정적 차동 저항(NDR)이 관측되었다.
• 높은 온 전류 작동으로 인한 측정 가능한 자가 heating 효과가 발생하였으며, 이는 실험적으로 연구되었고 장치 성능과 상관관계를 확인하였다.
• 2차원 MoS2와 페로일렉트릭 HZO의 통합은 급격한 스위칭 특성과 새로운 NDR 행동을 갖춘 초저전력 트랜지스터의 새로운 클래스를 가능하게 하였다.