[论文解读] A Ferroelectric Semiconductor Field-Effect Transistor

Mengwei Si, Saha, Atanu K.+10 more|arXiv (Cornell University)|Dec 7, 2018

Semiconductor Lasers and Optical Devices被引用 16

一句话总结

本文提出了一种基于二维α-In2Se3沟道材料的铁电半导体场效应晶体管（FeFET），利用其本征铁电性和半导体特性。通过集成原子层沉积的Al2O3钝化层和HfO2栅介质，该器件实现了超过10⁸的高开关比、大存储窗口以及低电压工作，展示了稳定非易失性存储功能，且具有改进的保持特性和性能。

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.

研究动机与目标

• 开发一种基于本征铁电半导体的非易失性存储器件，以实现更优的保持特性和性能。
• 通过采用二维铁电半导体沟道材料，解决传统铁电FET中保持时间短的问题。
• 通过原子层沉积的Al2O3钝化层提升器件稳定性和性能。
• 通过使用薄层HfO2栅介质，实现可扩展的低电压操作。

提出的方法

• 由于α-In2Se3具有室温铁电性及可调带隙，因此被选为沟道材料，作为二维铁电半导体。
• 采用原子层沉积（ALD）技术在α-In2Se3表面生长氧化铝（Al2O3）作为钝化层，以保护其表面并减少界面缺陷。
• 采用15 nm厚的二氧化铪（HfO2）作为缩放后的栅介质，以实现低电压工作。
• 通过沟道电导调制电学探测铁电极化翻转，实现非易失性存储操作。
• 通过在不同栅压和温度下的转移特性和保持特性测量，表征器件性能。
• 2D α-In2Se3与高k介质及钝化层的集成，实现了高开关比和大存储窗口。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否有效利用二维铁电半导体α-In2Se3作为铁电FET的沟道材料，实现稳定非易失性存储？
• RQ2 Al2O3钝化层如何改善基于α-In2Se3的FeFET的电学性能和稳定性？
• RQ3 使用薄层HfO2栅介质对器件工作电压和存储窗口有何影响？
• RQ4 尽管铁电材料在传统FET中存在固有不稳定性，该器件是否仍能维持长保持时间？
• RQ5 α-In2Se3的二维特性在多大程度上实现了铁电存储器件的可扩展性和大面积集成？

主要发现

• 器件实现了超过10⁸的高开关比，表明其具有优异的开关特性及低漏电流。
• 测得最大导通电流为862 μA/μm，表明沟道具有高迁移率和良好的载流子输运性能。
• 器件表现出大存储窗口，证实了有效的极化翻转和非易失性电荷存储。
• Al2O3钝化层显著降低了界面缺陷密度，提升了器件稳定性和性能。
• 采用15 nm厚HfO2作为栅介质，实现了低电压工作，降低了功耗。
• 器件保持了稳定的铁电极化翻转和长保持时间，克服了传统铁电FET的关键局限。