[논문]P(VDF-TrFE) 유기물 강유전체를 활용한 질화갈륨 네거티브 커패시턴스 전계효과 트랜지스터

한상우; 차호영

doi:10.7471/ikeee.2018.22.1.209

[국내논문] P(VDF-TrFE) 유기물 강유전체를 활용한 질화갈륨 네거티브 커패시턴스 전계효과 트랜지스터
Investigation of GaN Negative Capacitance Field-Effect Transistor Using P(VDF-TrFE) Organic/Ferroelectric Material 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.22 no.1, 2018년, pp.209 - 212

한상우 (School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University) , 차호영 (School of Electronic and Electrical Engineering, Hongik University)

초록
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본 논문에서는 P(VDF-TrFE)유기물 강유전체 기반 metal-ferroelectric-metal (MFM) capacitor 와 차세대 반도체 물질인 질화갈륨 반도체를 활용한 네거티브 커패시턴스 전계효과 트랜지스터를 제작 및 분석 하였다. 27 nm의 두께의 P(VDF-TrFE) MFM 커패시터의 분극지수는 4 MV/cm에서 $6{\mu}C/cm^2$ 값을 나타내었으며 약 65 ~ 95 pF의 커패시턴스 값을 나타내었다. 강유전체의 커패시턴스와 전계효과 트랜지스터의 커패시턴스 매칭을 분석하기 위해 제작된 P(VDF-TrFE) MFM 커패시터는 GaN 전계효과 트랜지스터의 게이트 전극에 집적화 되었으며 집적화되기 전 104 mV/dec 의 문턱전압 이하 기울기에서 82 mV/dec 값으로 개선된 효과를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this work, we developed P(VDF-TrFE) organic/ferroelectric material based metal-ferroelectric-metal (MFM) capacitors in order to improve the switching characteristics of gallium nitride (GaN) heterojunction field-effect transistors (HFET). The 27 nm-thick P(VDF-TrFE) MFM capacitors exhibited about 60 ~ 96 pF capacitance with a polarization density of $6{\mu}C/cm^2$ at 4 MV/cm. When the MFM capacitor was connected in series with the gate electrode of GaN HFET, the subthreshold slope decreased from 104 to 82 mV/dec.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 NCFET 기술을 구현하기 위해 강유전체 물질인 P(VDF-TrFE)물질을 절연막으로 활용한 metal-ferroelectric-metal (MFM) 커패시터를 제작하였으며 위 MFM 커패시터를 차세대 반도체 물질로 주목받고 있는 질화갈륨 기반 이종 접합 전계효과 트랜지스터(GaN HFETs)에 적용하여 NCFET의 특성을 분석 하였다.

제안 방법

본 논문에서는 P(VDF-TrFE) 강유전체 MFM 커패시터를 GaN HFET에 적용한 NCFET 구현을 통해 S.S.특성을 개선하였다. P(VDF-TrFE) 기반 커패시터를 GaN HFET에 적용한 결과 S.

대상 데이터

본 실험에서는 Si(111)기판위에 성장된 AlGaN/GaN 에피 구조를 사용하였으며 에피는 10.2 nm의 in-situ SiNx박막을 가지며 순차적으로 3.8 nm의 GaN cap 층, 23.8 nm의 Al_0.23Ga_0.77N 장벽층 514 nm의 GaN 채널층 ~4.5 μm의 버퍼층 그리고 Si(111)기판의 구조를 가진다.

성능/효과

특성을 개선하였다. P(VDF-TrFE) 기반 커패시터를 GaN HFET에 적용한 결과 S.S. 특성이 104 V/dec에서 82mV/dec 로 개선된 것을 확인하였으며 비록 이론적 한계치인 60mV/dec 이하의 S.S. 특성을 가지진 못하고 히스테리시스 특성이 증가하는 것을 확인하였지만 S.S. 특성은 좀 더 높은 분극성을 가진 HfO2 혹은 PZT 강유전체를 적용할 경우 더욱 개선된 특성을 얻을 수 있을 것이라 기대되며 비교적 높은 히스테리시스 특성은 MFM 커패시터 와 GaN 기반 FET의 게이트 전극간의 상호접속 방식을 모노리식 집적화를 통해 구현할 경우 더욱 감소할 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	네거티브 커패시턴스 전계효과 트랜지스터은 무엇인가?	네거티브 커패시턴스 전계효과 트랜지스터 (NCFET) 기술은 강유전체를 게이트 절연막으로 활용하는 기술이다. 강유전체의 분극현상으로 인해발생하는 커패시턴스의 비선형성은 게이트로 인가된 전압을 증폭시켜 더 큰 표면전위 값을 제공하며 이를 통해 m factor(∂VG /∂ψs )는 1이하로 낮아질 수 있다.
	현재 CMOS기술의 한계점은 어떤점이 있는가?	그러나 현재 CMOS기술은 크게 두 가지의 기술장벽으로 인해 높은 전력소모를 야기하는 기술 한계에 직면해 있는 실정이다[1]. 첫 번째는 개별 트랜지스터의 일정한 온-전류를 유지하기 위해 일정 값 이하로 공급전압(VDD)을 감소시킬 수 없는 어려움이며 두 번째는 온-오프 스위칭 비율특성( Ion/Ioff )을 열화 시키는 트랜지스터의 누설전류 증가이다. 이러한 전력소모의 증가는 열 발생을 급증시키는 현상을 발생시키며 이를 통해 다시 동작주파수 및 성능이 제한되어 MPU의 성능향상을 저해하는 요소가 된다.
	Si 기반 CMOS 로직 반도체 기술은 어떻게 발전해왔는가?	Si 기반 CMOS 로직 반도체 기술은 1960년대부터 성공적인 스케일다운 엔지니어링을 통해 지속적인 동작 주파수, 성능, 집적도, micro processor unit (MPU)의 가격경쟁력 향상이 실현되어 왔다. 그러나 현재 CMOS기술은 크게 두 가지의 기술장벽으로 인해 높은 전력소모를 야기하는 기술 한계에 직면해 있는 실정이다[1].

참고문헌 (6)

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C. Auth et al., "A 10nm High Performance and Low-Power CMOS Technology Featuring 3rd Generation FinFET Transistors, Self-Aligned Quad Patterning, Contact over Active Gate and Cobalt Local Interconnects," Proceeding of the 2017 IEEE International Electron Devices Meeting, pp. 29.1.1-29.1.4, 2017. DOI:10.1109/IEDM.2017.8268472
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J. Jo et al., "Negative Capacitance in Organic/Ferroelectric Capacitor to Implement Steep Switching MOS Devices," Nano Lett., Vol. 15, no. 7, pp. 4553-4556, 2015. DOI:10.1021/acs.nanolett.5b01130

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A. I. Khan, et al., "Negative capacitance in a ferroelectric capacitor," Nature Materials, vol. 14, pp. 182-186, 2015. DOI:10.1038/nmat4148

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