home Teknologi Manufaktur Peralatan Manufaktur
Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Transistor Efek Medan Kapasitansi Negatif ZrOx dengan Perilaku Swing Subthreshold Sub-60

Abstrak

Di sini kami melaporkan ZrOx - FET kapasitansi negatif (NC) berbasis dengan 45,06 mV/dekade subthreshold swing (SS) di bawah ± 1 V V GS jangkauan, yang dapat mencapai peluang baru dalam aplikasi NCFET skalabel tegangan di masa depan. Perilaku seperti feroelektrik dari Ge/ZrOx Kapasitor /TaN diusulkan berasal dari dipol kekosongan oksigen. Efek NC dari HfO amorf2 dan ZrOx perangkat film dapat dibuktikan dengan penurunan tiba-tiba kebocoran gerbang, fenomena resistansi diferensial negatif (NDR), peningkatan I DS dan ayunan subthreshold sub-60. 5 nm ZrOx - NCFET berbasis mencapai histeresis searah jarum jam sebesar 0,24 V, lebih rendah dari 60 mV/dekade SS dan 12% I Peningkatan DS dibandingkan dengan perangkat kontrol tanpa ZrOx . Efek NC yang ditekan dari Al2 O3 /HfO2 NCFET dibandingkan dengan ZrOx NCFET terkait dengan peralihan parsial dipol kekosongan oksigen dalam penyapuan ke depan karena dipol antarmuka negatif di Al2 O3 /HfO2 antarmuka.

Latar Belakang

Ketika perangkat semikonduktor oksida logam komplementer (CMOS) menurun secara konstan, teknik sirkuit terpadu (IC) telah memasuki era "lebih dari era Moore". Kekuatan pendorong industri dan teknologi IC menjadi pengurangan konsumsi daya, bukan miniaturisasi transistor [1, 2]. Namun, tirani Boltzmann dari MOSFET, lebih dari 60 mV/dekade SS telah membatasi efisiensi energi/daya [3]. Dalam beberapa tahun terakhir, banyak perangkat baru yang diusulkan memiliki kemampuan untuk mencapai ayunan ambang batas di bawah 60 mV/dekade, termasuk MOSFET ionisasi benturan, FET terowongan, dan NCFET [4,5,6,7]. Karena strukturnya yang sederhana, SS yang curam dan arus penggerak yang lebih baik, NCFET dengan film feroelektrik (FE) telah dianggap sebagai alternatif yang menarik di antara perangkat yang muncul ini [8,9,10]. Eksperimen yang dilaporkan pada NCFET terutama mencakup PbZrTiO3 (PZT), P(VDF-TrFE) dan HfZrOx (HZO) [11,12,13,14,15,16,17]. Namun, suhu proses yang tinggi dan arus bocor gerbang yang tidak diinginkan di sepanjang batas butir bahan feroelektrik polikristalin telah membatasi pengembangannya untuk node teknologi mutakhir [18,19,20,21,22,23,24,25] ,26]. Baru-baru ini, feroelektrik di Al2 . amorf O3 dan ZrOx film diaktifkan oleh dipol kekosongan oksigen termodulasi tegangan telah diselidiki [27,28,29]. Dibandingkan dengan kristal, film seperti feroelektrik amorf memiliki keuntungan yang signifikan dalam mengurangi suhu proses dan arus bocor. Dengan demikian, ada penelitian massal pada FeFET dengan isolator gerbang amorf untuk memori non-volatil dan aplikasi sinapsis analog [27, 30,31,32,33,34]. Namun, penyelidikan sistematis pada satu transistor ZrOx NCFET berbasis belum dilakukan.

Dalam karya ini, NCFET Ge dengan ZrO 5 nmx lapisan dielektrik feroelektrik dan 5 nm Al2 O3 /HfO2 lapisan dielektrik feroelektrik telah diusulkan, masing-masing. Kami secara eksperimental mengamati kemiringan curam di bawah 60 mV/dekade di ZrOx (5 nm) NCFET, yang dapat dikaitkan dengan efek NC dari ZrOx lapisan feroelektrik. Dan kami menganalisis polarisasi P sebagai fungsi dari tegangan yang diberikan V untuk Ge/ZrOx /TaN kapasitor. Perilaku seperti feroelektrik dari Ge/ZrOx Kapasitor /TaN diinduksi oleh dipol kekosongan oksigen yang diinduksi tegangan. Selain itu, kami menghubungkan I . yang ditingkatkan DS dan tiba-tiba jatuh I G di Al2 O3 /HfO2 NCFET dan ZrOx NCFET ke efek NC. Kami juga mengamati fenomena NDR di Al2 O3 /HfO2 NCFET dan ZrOx NCFET. Selain itu, kami menganalisis lebih lanjut mekanisme fisik penurunan efek NC yang diinduksi dipol antarmuka di Al2 O3 /HfO2 NCFET. ZrOx NCFET dengan kemiringan curam di bawah 60 mV/dekade, tegangan pembuangan yang ditingkatkan, dan tegangan pengoperasian yang rendah akan sesuai untuk desain NCFET dengan konsumsi daya rendah di “era lebih dari Moore”.

Metode

Langkah-langkah proses utama untuk NCFET dengan ZrOx dan Al2 O3 /HfO2 fabrikasi ditunjukkan pada Gambar. 1a. Isolator dielektrik gerbang yang berbeda, termasuk Al2 O3 /amorf HfO2 (5 nm) film dan ZrO amorfx Film (4,2 nm) ditumbuhkan pada substrat n-Ge (001) dengan deposisi lapisan atom (ALD) pada 300 °C. TMA, TDMAHf, TDMAZr dan H2 Uap O masing-masing digunakan sebagai prekursor Al, Hf, Zr dan O. Waktu pulsa dan waktu pembersihan prekursor Hf dan Zr berturut-turut adalah 1,6 s dan 8 s. Waktu pulsa dan waktu pembersihan prekursor Al berturut-turut adalah 0,2 s dan 8 s. Elektroda gerbang atas TaN kemudian diendapkan pada HfO2 atau ZrOx permukaan dengan sputtering reaktif. Daerah sumber/drain (S/D) ditentukan oleh pola litografi dan etsa kering. Setelah itu, boron (B + ) dan nikel (Ni) diendapkan di daerah source/drain (S/D). Terakhir, anil termal cepat (RTA) pada 350 °C selama 30 dtk dalam 10 8 Pa nitrogen ambient dilakukan. Gambar 1b, d menunjukkan skema Al2 . yang dibuat O3 /HfO2 NCFET dan ZrOx NCFET. Gambar mikroskop elektron transmisi (HRTEM) resolusi tinggi pada Gambar 1c menggambarkan HfO amorf2 (5 nm) film di Ge (001) dengan Al2 O3 lapisan antarmuka. Gambar HRTEM pada Gambar. 1e menggambarkan ZrO amorfx (4,2 nm) film di Ge (001). Kurva C–V dari ZrOx NCFET dan spektrum fotoelektron sinar-X (XPS) dari TaN/ZrOx (4,2 nm)/kapasitor Ge diukur dalam file tambahan 1:Gbr. S1.

a Langkah-langkah proses utama untuk pembuatan Al2 O3 /5 nm HfO2 NCFET dan 4,2 nm ZrOx NCFET. b Skema dan c Gambar HRTEM dari ZrO yang dibuatx NCFET. d Skema dan e Gambar HRTEM dari Al2 . yang dibuat-buat O3 /HfO2 NCFET

Hasil dan Diskusi

Gambar 2a menunjukkan kurva polarisasi terukur P v.s. tegangan yang diterapkan V karakteristik untuk Ge/ZrOx /TaN kapasitor pada 3,3 kHz. Panjang gerbang (L G ) kapasitor adalah 8 μm. Diamati bahwa sisa polarisasi P r dari Ge/ZrOx /TaN kapasitor dapat ditingkatkan dengan jangkauan sapuan V . yang lebih besar . Perilaku seperti feroelektrik dari ZrO amorfx film pada Gambar. 2a diusulkan berasal dari dipol kekosongan oksigen yang digerakkan oleh tegangan [35]. Gambar 2b menunjukkan pengukuran P–V kurva untuk Ge/ZrOx /TaN kapasitor di bawah frekuensi yang berbeda dari 200 hingga 10 kHz. Kita dapat melihat bahwa perilaku seperti feroelektrik dari ZrO amorfx film tetap stabil untuk semua frekuensi. Namun, P r dari ZrO amorfx film berkurang dengan meningkatnya frekuensi. Fenomena ini dapat dijelaskan dengan peralihan dipol yang tidak lengkap di bawah frekuensi pengukuran yang tinggi [36, 37]. Saat frekuensi pengukuran meningkat, waktu untuk perubahan arah medan listrik di ZrO amorfx film berkurang. Dengan demikian, bagian dari pergantian diplo kekosongan oksigen tidak lengkap, memberikan penurunan P r .

Diukur P versus V karakteristik 4,2 nm ZrOx kapasitor dengan a rentang sapuan yang berbeda dari V dan b frekuensi pengukuran yang berbeda

Gambar 3a menunjukkan pengukuran I DS –V GS kurva feroelektrik Al2 O3 /HfO2 NCFET di V DS dari 0,05 V dan 0,5 V. L G perangkat adalah 3 μm. Loop histeresis 0,14 V (V DS = − 0,05 V, Saya ds = 1 nA/μm) dan 0,08 V (V DS = − 0,5 V, Saya ds = 1 nA/μm) masing-masing ditunjukkan. Loop histeresis searah jarum jam dikaitkan dengan migrasi kekosongan oksigen dan disertai muatan negatif. Dipol kekosongan oksigen menumpuk (menghabiskan) di Ge/Al2 O3 antarmuka di bawah positif (negatif) V GS . Oleh karena itu, tegangan ambang (V TH ) meningkat (menurun) di bawah sapuan tegangan gerbang maju (mundur). Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 3b, karakteristik output dari Al2 O3 /HfO2 NCFET dan kontrol FET dibandingkan. Arus saturasi Al2 O3 /HfO2 NCFET melebihi 26 A/μm, dengan kenaikan 23% dibandingkan dengan FET kontrol pada |V GS –V TH | ==V DS |= 0.8 V. Peningkatan saat ini disebabkan oleh peningkatan intensitas muatan inversi (Q inv ) di medan listrik polarisasi terbalik dan amplifikasi potensial permukaan [38, 39]. Selain peningkatan saat ini, NDR jelas yang diperoleh membuktikan efek NC dari HfO amorf2 film. Efek NDR disebabkan oleh pergantian yang tidak lengkap dari dipol kekosongan oksigen karena penggabungan saluran-ke-saluran sebagai V DS meningkat [40, 41]. Gambar 3c membandingkan kebocoran gerbang terukur I G –V GS kurva untuk 5 nm Al2 O3 /HfO2 NCFET di V DS 0,05 V dan 0,5 V. Penurunan mendadak I G hanya selama penyapuan terbalik menunjukkan penurunan tegangan di HfO amorf2 film dan amplikasi potensial permukaan [42]. Tidak adanya efek NC selama penyapuan ke depan disebabkan oleh peralihan parsial dipol kekosongan oksigen di HfO amorf2 film [43]. Kemampuan yang berbeda untuk mengandung atom oksigen antara Al2 O3 dan HfO2 lapisan mengarah ke redistribusi oksigen dan dipol antarmuka negatif di Al2 O3 /HfO2 antarmuka [44, 45]. Karena adanya dipol antarmuka negatif, sulit untuk HfO amorf2 film untuk mewujudkan peralihan polarisasi lengkap (efek NC) dalam penyapuan ke depan (File tambahan 1).

a Mengukur I DS –V GS kurva dari 5 nm HfO2 NCFET saat V DS = − 0,5 V dan V DS = − 0,05 V. b Mengukur I DS –V DS kurva HfO2 NCFET dan MOSFET kontrol. c Mengukur I G –V GS kurva dari 5 nm HfO2 NCFET saat V DS = − 0,5 V dan V DS = − 0,05 V

Gambar 4a menunjukkan kurva transfer terukur dari ZrO feroelektrikx NCFET di V DS dari 0,05 V dan 0,5 V. L G dari dua perangkat adalah 4 m. Loop histeresis searah jarum jam sebesar 0,24 V (V DS = − 0,05 V, Saya ds = 1 nA/μm) dan 0,14 V (V DS = − 0,5 V, Saya DS = 1 nA/μm) masing-masing ditunjukkan. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 4b, karakteristik output dari ZrOx NCFET dan kontrol FET dibandingkan. Arus saturasi ZrOx NCFET melebihi 30 A/μm, dengan kenaikan 12% dibandingkan dengan FET kontrol pada |V GS –V TH | ==V DS |= 1 V. Peningkatan arus yang ditingkatkan dan NDR yang lebih jelas menunjukkan peningkatan efek NC dari ZrO amorfx film (5 nm) kontras dengan film 5 nm HfO2 film. Gambar 4c membandingkan kebocoran gerbang terukur I G –V GS kurva untuk 5 nm ZrOx NCFET di V DS 0,05 V dan 0,5 V. Dibandingkan dengan I . yang tiba-tiba G tetes Al2 O3 /HfO2 NCFET hanya selama penyapuan terbalik pada Gambar. 3c, penurunan tiba-tiba I G baik dalam penyapuan maju dan mundur pada Gambar. 4c juga membuktikan peningkatan efek NC pada ZrO amorfx film.

a Mengukur I DS –V GS kurva dari 5 nm ZrOx NCFET saat V DS = − 0,5 V dan V DS = − 0,05 V. b Mengukur I DS –V DS kurva ZrOx NCFET dan MOSFET kontrol menunjukkan fenomena NDR yang jelas. c Mengukur I G –V GS kurva dari 5 nm ZrOx NCFET saat V DS = − 0,5 V dan V DS = − 0,05 V

Gambar 5a, b menunjukkan titik SS sebagai fungsi I DS untuk Al2 O3 /HfO2 dan ZrOx NCFET di V DS dari 0,05 V dan − 0,5 V. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5b, ayunan subthreshold (SS) sub-60 mV/dekade dapat dicapai selama sapuan maju atau mundur V GS di V DS dari 0,05 V dan 0,5 V. Saat V DS adalah− 0,05 V, SS maju titik 45,1 mV/des dan SS mundur titik 55,2 mV/des. Ketika V DS adalah− 0,5 V, SS maju titik 51,16 mV/des dan SS mundur titik 46,52 mV/des. Karena perbedaan kemampuan efek pemulung untuk Al2 O3 /HfO2 dan ZrOx lapisan, switching dipol parsial disebabkan di Al2 O3 /HfO2 NCFET. Oleh karena itu, efek NC yang lebih jelas dengan SS sub-60 mV/dekade dicapai dalam 5 nm ZrOx NCFET.

Titik SS sebagai fungsi dari I DS untuk a Al2 O3 /5 nm HfO2 NCFET dan b 5 nm ZrOx NCFET

Kesimpulan

Kami melaporkan demonstrasi feroelektrik NC ZrOx pFET dengan SS di bawah 60 mV/dekade, tegangan operasi rendah 1 V, dan histeresis kurang dari 60 mV. Dampak dari ZrO amorfx film pada perilaku feroelektrik dijelaskan oleh dipol kekosongan oksigen. I . yang ditingkatkan DS dan fenomena NDR juga didapatkan pada Al2 O3 /HfO2 NCFET dan ZrOx NCFET dibandingkan dengan perangkat kontrol. Efek NC yang ditekan dari Al2 O3 /HfO2 NCFET dapat dikaitkan dengan pergantian dipol parsial karena dipol interfiks di Al2 O3 /HfO2 antarmuka. ZrOx NCFET dengan kemiringan di bawah 60 mV/dekade, peningkatan tegangan pembuangan, dan tegangan operasi rendah membuka jalan baru untuk desain NCFET konsumsi daya rendah di masa mendatang.

Ketersediaan Data dan Materi

Kumpulan data yang mendukung kesimpulan artikel ini disertakan dalam artikel.

Singkatan

TaN:

Tantalum nitrida

ZrOx :

Zirkonium dioksida

TDMAZr:

Tetrakis (dimethylamido) zirkonium

P r :

Polarisasi sisa

E c :

Medan listrik koersif

MOSFET:

Transistor efek medan logam–oksida–semikonduktor

Ge:

Germanium

ALD:

Deposisi lapisan atom

B + :

Ion boron

Al2 O3 :

Aluminium oksida

HRTEM:

Mikroskop elektron transmisi resolusi tinggi

Ni:

Nikel

RTA:

Pelunasan termal anil

Saya DS :

Kuras arus

V GS :

Tegangan gerbang

V TH :

Tegangan ambang

NCFET:

Transistor efek medan kapasitansi negatif


bahan nano

  • Logam
  • Pembuluh darah
  • serat
  • bahan komposit
  • bahan nano
  • Bahan Polimer
  • Biologis
  • Pewarna
  • rempah-rempah
    1. Transistor Efek Medan Persimpangan (JFET) sebagai Sakelar
    2. Bahan:Busa EPP dengan Sifat Permukaan yang Lebih Baik dan Perilaku Pengisian yang Dioptimalkan
    3. Transistor Efek Medan Nanoflake Multi-Lapisan dengan Kontak Au Ohmic Resistensi Rendah
    4. Perilaku Sintering SiC Sinter Plasma Spark dengan Nanopartikel Komposit Si-SiC Disiapkan oleh Proses Plasma DC Termal
    5. Graphene/Polyaniline Aerogel dengan Superelastisitas dan Kapasitansi Tinggi sebagai Elektroda Superkapasitor Toleran Kompresi
    6. Karbon Nanotube Berdinding Tunggal Didominasi Micron-Wide Stripe Berpola Ferroelectric Field-Effect Transistor dengan Lapisan Kontrol Cacat HfO2
    7. Kinerja Analog/RF Transistor Efek Medan Terowongan Sumber Ganda Gerbang Bentuk-T
    8. Transistor Saluran Vakum Skala Nano Berbasis Grafena
    9. Ultra-Resistance Spesifik Rendah Lateral Transistor Logam-Oksida-Semikonduktor-Semikonduktor dengan Resistansi Ganda yang Ditingkatkan dengan Lapisan Terkubur-P Parsial dan Gerbang Ganda yang Ditingka…
    10. Kapasitas Putaran Kinerja Tinggi Dengan Jejak Kecil