Could the negative capacitance effect be used in field-effect transistors with a ferroelectric gate?

Є.А. Єлісєєв; Г.М. Морозовська; Л.П. Юрченко; М.В. Стріха

doi:10.15330/pcss.23.4.705-713

Автор(и)

Є.А. Єлісєєв Інститут проблем матеріалознавства НАН України, Київ, Україна
Г.М. Морозовська Інститут фізики НАН України, Київ, Україна
Л.П. Юрченко Інститут проблем матеріалознавства НАН України, Київ, Україна
М.В. Стріха КНУ імені Тараса Шевченка; Інститут фізики напівпровідників ім. В.Є.Лашкарьова НАН України

DOI:

https://doi.org/10.15330/pcss.23.4.705-713

Ключові слова:

від’ємна ємність, сегнетоелектрична плівка, розмірний фазовий перехід, польовий транзистор метал-оксид-сегнетоелектрик

Анотація

Ми аналізуємо електричний потенціал і поле, поляризацію та заряд, а також диференціальну ємність польового транзистора з металевим оксидом кремнію (MOSFET), в якому ізолятор затвора складається з тонких шарів діелектрика SiO₂ і слабкого сегнетоелектрика HfO₂. Виявилося можливим досягти квазістаціонарної негативної ємності (NC) шару HfO₂, C_HfO2<0, якщо товщина шару близька до критичної товщини фазового переходу сегнетоелектрик-параелектрик, викликаного розміром. Однак цей ефект зникає, коли напруга на затворі підвищується вище певного критичного значення, що можна пояснити нелінійністю сегнетоелектричної проникності. Квазістаціонарній NC відповідає позитивна ємність всієї системи. Реалізація ізолятора затвора з NC, C_ins, може відкрити принципову можливість зменшити підпорогове коливання MOSFET нижче критичного значення та зменшити напругу затвора нижче фундаментальної межі Больцмана. Однак нам не вдалося знайти параметри, для яких C_ins є негативним у квазістаціонарних станах; і, таким чином, негативний C_HfO2 не може зменшити підпорогове коливання нижче фундаментальної межі. Тим не менш, збільшення C_ins, пов’язане з C_HfO2<0, може зменшити коливання вище межі, зменшити нагрівання пристрою під час робочих циклів і, таким чином, сприяти подальшому покращенню продуктивності MOSFET.

Посилання

J. Íñiguez, P. Zubko, I. Luk’yanchuk, and A. Cano, Ferroelectric negative capacitance, Nat. Rev. Mater., 4, 243 (2019); https://doi.org/10.1038/s41578-019-0089-0.

W. Cao and K. Banerjee, Is negative capacitance FET a steep-slope logic switch? Nat. Commun., 11, 196 (2020); https://doi.org/10.1038/s41467-019-13797-9.

M. Hoffmann, S. Slesazek, Thomas Mikolajick. Progress and future prospects of negative capacitance electronics: A materials perspective, APL Mater., 9, 020902 (2021); https://doi.org/10.1063/5.0032954.

R. Landauer. Can capacitance be negative? Collect. Phenom., 2, 167-170 (1976).

S. Salahuddin and S. Datta, Use of negative capacitance to provide voltage amplification for low power nanoscale devices, Nano letters, 8, 405 (2008); https://doi.org/10.1021/nl071804g.

S. Salahuddin, S.Datta. The era of hyper-scaling in electronics, Nat. Electron., 1, 442-450 (2018); https://doi.org/10.1038/s41928-018-0117-x.

M. Hoffmann, M. Peši´c, S. Slesazeck, U. Schroeder, and T. Mikolajick, On the stabilization of ferroelectric negative capacitance in nanoscale devices, Nanoscale, 10, 10891 (2018); https://doi.org/10.1039/C8NR02752H.

T.S. Boscke, S. Teichert, D. Brauhaus, J. Muller, U. Schroder, U. Bottger, and T. Mikolajick, Phase transitions in ferroelectric silicon doped hafnium oxide, Appl. Phys. Lett., 99, 112904 (2011); https://doi.org/10.1063/1.3636434.

P. Nukala, M. Ahmadi, Y.F. Wei, S. de Graaf, E. Stylianidis, T. Chakrabortty, S. Matzen, H.W. Zandbergen, A. Bjorling, D. Mannix, D. Carbone, B. Kooi, B., Noheda, Reversible oxygen migration and phase transitions in hafnia-based ferroelectric devices, Science, 372, 630 (2021); https://doi.org/10.1126/science.abf3789.

H. Mulaosmanovic, S. Dünkel, J. Müller, M. Trentzsch, S. Beyer, E.T. Breyer, T. Mikolajick, and S. Slesazeck, Impact of read operation on the performance of HfO2-based ferroelectric FETs, IEEE Electron. Device Lett., 41, 1420 (2020); https://doi.org/10.1109/LED.2020.3007220.

P.D. Lomenzo, S. Jachalke, H. Stoecker, E. Mehner, C. Richter, T. Mikolajick, U. Schroeder, Universal Curie constant and pyroelectricity in doped ferroelectric HfO2 thin films, Nano Energy, 74, 104733 (2020).

Yu. A. Kruglyak, M. V. Strikha, Physics of nanotransistors: MOSFET theory in traditional approach, zero level virtual source model, and depletion approximation, Sensor Electronics and Мicrosystem Technologies, 16(1), 24 (2019); https://doi.org/10.18524/1815-7459.2019.1.159485

Yu. A. Kruglyak, M. V. Strikha, Physics of nanotransistors: gate voltage and surface potential, mobile charge in bulk MOS and in thin SOI, Sensor Electronics and Мicrosystem Technologies, 16(2), 5 (2019); https://doi.org/10.18524/1815-7459.2019.2.171224

S. M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, 2nd ed. (Wiley-Interscience, New York, 1981).

Supplementary materials in http://arxiv.org/abs/2208.13187

R. L. Anderson, Experiments on Ge-GaGs heterojunctions, Solid-State Electronics, 5, 341 (1962); https://doi.org/10.1007/978-94-009-3073-5_2.

L. D. Landau, and I. M. Khalatnikov, On the anomalous absorption of sound near a second order phase transition point, In Dokl. Akad. Nauk SSSR, 96, 496 (1954).

A.M. Bratkovsky, and A. P. Levanyuk, Very large dielectric response of thin ferroelectric films with the dielectric layers, Phys. Rev., B 63, 132103 (2001); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.63.132103.

M. V. Strikha, A. M. Morozovska, On the impossibility of a stable negative capacitance realization in mosfet transistors with insulators based on thin layers of dielectric and ferroelectric, Sensor Electronics and Мicrosystem Technologies, 19(1/2), 19 (2022); https://doi.org/10.18524/1815-7459.2022.1/2.258446

E. A. Eliseev, M. E. Yelisieiev, S. V. Kalinin and A. N. Morozovska. Observability of negative capacitance of a ferroelectric film: Theoretical predictions. Phys. Rev. B, 105, 174110 (2022); https://doi.org/10.1103/PhysRevB.105.174110.

The realized minimal thickness of the SiO2 layer is about 1.8 nm, and the minimal width of p-Si channel is 4 nm. We use smaller sizes in FEM to show how the sizes influence on the polar properties and capacitance of HfO2 film.

A.I. Khan, K. Chatterjee, B. Wang, S. Drapcho, L,You, C. Serrao, S.R. Bakaul, R. Ramesh, and S. Salahuddin, Negative capacitance in a ferroelectric capacitor, Nat. Mater., 14, 182 (2015); https://doi.org/10.1038/nmat4148.

M. Hoffmann, M. Pešić, K. Chatterjee, A.I. Khan, S. Salahuddin, S. Slesazeck, U. Schroeder, and T. Mikolajick, Direct observation of negative capacitance in polycrystalline ferroelectric HfO2. Adv. Func. Mater., 26, 8643 (2016); https://doi.org/10.1002/adfm.201602869.

P. Zubko, J. C. Wojdeł, M. Hadjimichael, S. Fernandez-Pena, A. Sené, I. Luk’yanchuk, J.-M. Triscone, and J. Íñiguez, Negative capacitance in multidomain ferroelectric superlattices, Nature, 534, 524 (2016); https://doi.org/10.1038/nature17659.