Transistor Efek Medan Kapasitansi Negatif Germanium:Dampak Komposisi Zr pada Hf1−xZrxO2

Hasil dan Diskusi

Gambar 4(a) menunjukkan karakteristik transfer terukur dari NCFET Ge dengan Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ feroelektrik dengan suhu anil yang berbeda dan perangkat kontrol dengan Al₂ O₃ /HfO₂ tumpukan dielektrik. Perangkat kontrol dianil pada 500 °C. Semua perangkat memiliki panjang gerbang L _G dari 2 μm. Sapuan maju dan mundur masing-masing ditunjukkan oleh simbol terbuka dan padat. NCFET memiliki arus penggerak yang jauh lebih tinggi dibandingkan dengan perangkat kontrol. Terlihat bahwa, dengan peningkatan suhu anil dari 450 menjadi 550 °C, tegangan ambang V _TH perangkat NC bergeser ke V positive positif _GS arah. NCFET menunjukkan histeresis kecil, yang menjadi diabaikan dengan meningkatnya suhu RTA. Efek menjebak juga menyebabkan histeresis, tetapi itu menghasilkan I . yang berlawanan arah jarum jam _DS -V _GS loop, berlawanan dengan hasil yang diinduksi oleh ferroelectric switching [18]. Poin SS vs. Aku _DS kurva pada Gambar. 4(b) menunjukkan bahwa transistor NC menunjukkan penurunan mendadak di beberapa titik SS, sesuai dengan perubahan mendadak I _DS diinduksi oleh efek NC [19]. Diamati bahwa NCFET mencapai karakteristik SS yang lebih baik dibandingkan dengan perangkat kontrol. Kami menemukan bahwa titik jatuh mendadak perangkat konsisten pada suhu anil yang berbeda. I . yang terukur _DS -V _DS kurva NCFET dengan Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ anil feroelektrik pada suhu yang berbeda ditunjukkan pada Gambar. 4(c). Aku _DS -V _DS kurva transistor NC menunjukkan fenomena NDR yang jelas, yang merupakan karakteristik khas transistor NC [20,21,22,23]. Gambar 4(d) adalah plot dari I _DS dari NCFET Ge dengan Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ lapisan feroelektrik dianil pada 450, 500, dan 550 °C, masing-masing, pada V _DS = − 0.05 V dan 0.5 V, dan |V _GS  V _TH | = 1.0 V. Di sini, V _TH didefinisikan sebagai V _GS di Aku _DS dari 10 ⁻⁷ A/μm. Aku _DS meningkat seiring dengan meningkatnya suhu RTA, yang disebabkan oleh berkurangnya resistensi sumber/pembuangan dan peningkatan mobilitas pembawa pada suhu anil yang lebih tinggi.

(a ) Mengukur I _DS -V _GS kurva untuk NCFET dengan Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ feroelektrik dan perangkat kontrol. (b ) Titik SS vs. Aku _DS kurva yang menunjukkan bahwa NCFET memiliki SS yang lebih curam dibandingkan dengan MOSFET kontrol. (c ) Aku _DS -V _DS kurva untuk NCFET yang menunjukkan fenomena NDR yang khas. (d ) Perbandingan I _DS untuk NCFET yang dianil pada berbagai suhu pada overdrive gerbang 1 V

Selain Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ transistor feroelektrik, kami juga menyelidiki karakteristik kelistrikan transistor Ge NC dengan Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ feroelektrik. Gambar 5(a) menyajikan I _DS -V _GS karakteristik perangkat dengan Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ dengan suhu anil yang berbeda pada V _DS = − 0.05 V dan 0.5 V. Dibandingkan dengan Hf_0.52 Zr_0,48 O₂ Transistor NC, histeresis yang lebih kecil diperoleh. Mirip dengan Hf_0.52 Zr_0,48 O₂ Transistor NC, saat suhu anil meningkat dari 450 menjadi 550 °C, V _TH perangkat meningkat dari 0.63 V ke 0.51 V di sapuan ke depan di V _DS = − 0.05 V. Titik SS sebagai fungsi dari I _DS karakteristik untuk Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ NCFET feroelektrik digambarkan pada Gambar 5(b). Selain itu, perangkat dengan suhu anil 450 °C dan 500 °C memperoleh penurunan tiba-tiba yang lebih jelas dalam SS dibandingkan dengan transistor anil 550 °C. Titik jatuh mendadak pada suhu anil yang berbeda terjadi pada tegangan gerbang yang sama. Gambar 5(c) menunjukkan maju dan mundur I _DS dari Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ NCFET di V _DS = − 0.05 V dan 0.5 V, dan |V _GS –V _TH | = 1.0 V. Baik untuk sapuan maju atau mundur, I _DS meningkat dengan suhu anil, yang konsisten dengan karakteristik Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ perangkat.

(a ) Karakteristik transfer terukur dari Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ NC Ge pFET dianil dari 450 hingga 550 °C. (b ) Arahkan SS sebagai fungsi dari I _DS untuk Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ perangkat. (c ) Aku _DS untuk transistor NC feroelektrik dengan suhu anil berbeda pada overdrive gerbang 1 V 

Kami juga menyelidiki kinerja listrik Ge NCFET dengan komposisi Zr yang lebih kecil. Karakteristik transfer Hf_0.67 Zr_0,33 O₂ NCFET anil pada suhu anil yang berbeda disajikan pada Gambar. 6(a). Tidak ada fenomena histeresis yang diamati. Dibandingkan dengan Hf_0,33 Zr_0,67 O₂ dan Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ perangkat, V _TH pergeseran yang disebabkan oleh berbagai suhu anil kurang jelas di Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ NCFET. Poin SS vs. Aku _DS kurva pada Gambar. 6(b) menunjukkan bahwa Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ Transistor NC menunjukkan penurunan mendadak di beberapa titik SS transistor NC di V _DS = − 0.05 V. Gambar 6(c) menyajikan I _DS dari Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ NCFET Ge dianil pada 450 °C, 500 °C, dan 550 °C, pada V _DS = − 0.05 V dan 0.5 V, dan |V _GS –V _TH | = 1.0 V. Demikian juga, Aku _DS meningkat saat suhu RTA meningkat.

(a ) Mengukur I _DS -V _GS dari Hf_0,67 Zr_0,33 O₂ NC Ge pFET dianil pada 450 °C, 500 °C, dan 550 °C. (b ) Poin SS vs. I_DS karakteristik perangkat. (c ) Aku _DS untuk transistor NC feroelektrik dengan suhu annealing yang berbeda pada overdrive gerbang 1 V

Stabilitas efek NC yang diinduksi oleh lapisan feroelektrik Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ NCFET diverifikasi oleh beberapa pengukuran penyapuan DC. I . yang terukur _DS -V _GS kurva lebih dari 100 siklus penyapuan DC ditunjukkan pada Gambar. 7(a). Dapat dilihat bahwa nilai V _GS sesuai dengan SS curam konsisten. Selain itu, searah jarum jam I-V loop dipertahankan melalui beberapa sapuan DC. Titik SS yang curam dapat diulang dan stabil melalui beberapa sapuan DC, yang selanjutnya membuktikan bahwa titik tersebut diinduksi oleh efek NC. Gambar 7(b) menyajikan SS titik terbaik dan arus penggerak di seluruh jumlah siklus penyapuan. Gambar 7(c) menunjukkan karakteristik histeresis sebagai fungsi dari jumlah siklus penyapuan DC. Stabil I-V jendela histeresis ~ 82 mV terlihat.

(a ) Mengukur I _DS -V _GS kurva dari Hf_0,52 Zr_0,48 O₂ NC Ge pFET lebih dari 100 siklus penyapuan DC. (b ) Poin terbaik SS dan I _DS vs nomor siklus. (c ) Karakteristik histeresis sebagai fungsi dari jumlah siklus penyapuan DC

Kami merangkum histeresis dan mendorong karakteristik NCFET Ge saat ini dengan komposisi Zr yang berbeda dalam Hf_1−x Zr_x O₂ pada Gambar. 8. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8(a), nilai histeresis adalah 70, 148, dan 106 mV untuk perangkat dengan x = 0,33, 0,48, dan 0,67, masing-masing, pada V _DS dari – 0,5 V Saat komposisi meningkat dari 0,33 menjadi 0,48, histeresis perangkat NC meningkat secara signifikan. Dengan semakin meningkatnya komposisi Zr, histeresis menurun dengan cepat. Aku _DS NCFET yang dianil pada 450 °C diplot pada Gambar. 8(b), pada V _DS = − 0. 5 V dan V _GS  V _TH = − 1. 0 V. Terbuka dan padat masing-masing mewakili sapuan maju dan mundur. Perangkat NC dengan Hf_0.52 Zr_0,48 O₂ mencapai I highest tertinggi _DS , tetapi histeresisnya serius. NCFET dengan Hf_0.67 Zr_0,33 O₂ dapat memperoleh kinerja luar biasa dengan kurva bebas histeresis dan I . yang tinggi _DS . Saat komposisi Zr meningkat, kapasitansi feroelektrik C _biaya (= 0,3849*P _r /(E _c *t _biaya ) [24]) meningkat dengan meningkatnya P _r , dan sementara itu, kapasitansi MOS (C _MOS ) naik juga karena permitivitas yang meningkat dari film HZO. Aku _DS dan histeresis ditentukan oleh |C _biaya | dan C _MOS dari transistor. Dengan peningkatan komposisi Zr dari 0,33 menjadi 0,48, peningkatan |C _biaya | diperkirakan lebih lambat daripada C _MOS , menyebabkan pelebaran histeresis. Namun demikian, C . yang lebih besar _MOS menghasilkan I . yang lebih tinggi _DS . Dengan peningkatan komposisi Zr lebih lanjut, peningkatan |C _biaya | lebih cepat dari C _MOS , yang mungkin menyediakan |C _biaya | C _MOS , mengurangi histeresis NCFET.

Plot statistik (a ) histeresis dan (b ) Aku _DS dari Ge NCFET dengan Hf_1−x Zr_x O₂ (x = 0,33, 0,48, dan 0,67)