[论文解读] Trap-Enhanced Steep-Slope Negative-Capacitance FETs Using Amorphous Oxide Semiconductors

Yungyeong Park, Hakseon Lee+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 6, 2026

Ferroelectric and Negative Capacitance Devices被引用 0

一句话总结

论文提出基于 AOS 的负电容 FET 模型，研究通道陷阱密度如何影响陡峭亚阈值斜率工作，显示陷阱可增强 NC 效应和突跳开关。

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.

研究动机与目标

• 为了在 BEOL 兼容的晶体管中实现单片三维集成，使用 AOS 材料作为动机。
• 解决 AOS 通道中高陷阱密度引起的性能退化。
• 将负电容操作引入基于 AOS 的晶体管。
• 研究通道中的陷阱如何影响 MOSFETs 与 NCFETs 的陡峭斜率（SS）行为。
• 提供对陷阱电荷如何影响 NC 层电势和开关的物理解释。

提出的方法

• 开发一个基于 AOS 的 NCFET 模型以研究陷阱效应。
• 分析陷阱密度与 MOSFET 与 NCFET 的亚阈值摆幅（subthreshold swing, SS）之间的关系。
• 表明增加的陷阱密度会提高 MOSFET 的 SS 但降低 NCFET 的 SS。
• 将陡峭 SS 归因于陷阱电荷增强 NC 层的负电势降落。
• 提供将陷阱与器件的突跳开关以及对 BEOL 适用性相关的物理解释。

实验结果

研究问题

• RQ1 AOS 通道中的陷阱如何影响传统 MOSFET 的亚阈值摆幅与基于 NC 的 FET 的比较？
• RQ2 负电容操作是否能缓解或利用通道陷阱在基于 AOS 的晶体管中实现更陡峭的开关？
• RQ3 陷阱电荷通过何种物理机制影响 NC 层及 AOS NCFET 的器件开关？

主要发现

• 陷阱密度增加会导致 MOSFET 的亚阈值摆幅（SS）增大。
• 陷阱密度增加会导致 NCFET 的 SS 降低。
• 陷阱电荷增强了 NC 层的负电势降落。
• 这一增强使得 NCFET 能实现突跳型器件开关。
• 研究结果支持利用带有 NC 效应的 AOS 加速 BEOL 晶体管的发展。