Сегнетоэлектрические полевые транзисторы (транзисторы с отрицательной емкостью - Negative Capacitance FETs (NCFET))

Как следует из выражений для подпорогового размаха (1.11), (1.12)

                         (1.11),

                                (1.12)

достижение более крутого нарастания (S<60мВ/дек) можно достичь двумя способами: 1) улучшить второй сомножитель (∂ψs/(logI) путем использования транзистора другого принципа, такого как туннелирование зона-зона или ударная ионизация, так что электронный транспорт уже не является чисто термоэлектронным. 2) уменьшить первый сомножитель (коэффициент подложки) путем использования изолятора с отрицательной емкостью. В отличие от первого способа, транспорт при таком подходе основан исключительно на термоэлектронной эмиссии.

Как говорилось выше, коэффициент подложки вследствие «тирании Больцмана» (термоэлектронная эмиссия и диффузия носителей) не может быть меньше единицы, что ограничивает минимальный подпороговый размах величиной 60мВ/дек. Однако, если бы можно было использовать конденсатор с отрицательной емкостью , можно было бы достичь величины . Тогда возникает вопрос, может ли вообще емкость быть отрицательной. Теоретически, емкость (С) определяется как

                                                             (6.1)

где Q - заряд, накопленный в конденсаторе, а V - напряжение, приложенное к его обкладкам. Отрицательная емкость просто означает, что заряд, который хранится в конденсаторе, уменьшается по мере увеличения напряжения на нем.

Энергетическая зависимость (зависимость энергии U, хранящейся в конденсаторе, от заряда Q), задается как

                                                           (6.2)

С использованием зависимости (6.2) в более общем виде емкость может быть определена как

,                                                              (6.3)

то есть знак емкости определяется знаком второй производной.

В то время как в обычных конденсаторах энергия изменяется с зарядом параболически (формула (6.2)), для некоторых материалов энергия следует другой зависимости. Сегнетоэлектрические материалы образуют особый класс материалов, которые демонстрируют уникальные энергетические зависимости. Сегнетоэлектрические материалы являются пьезоэлектриками и имеют не центросимметричную структуру. В симметричных структурах решеток результирующий дипольный момент равен нулю, так как диполи ориентированы случайно. Не центросимметричная структура подразумевает, что сегнетоэлектрические материалы будут по своей природе поляризованы, так как баланс дипольных моментов не пренебрежимо мал.

 Рис.6.1

На рис.6.1 (а) и (b) показаны энергетические зависимости сегнетоэлектрического и обычного конденсаторов, соответственно. Зависимость  сегнетоэлектрического конденсатора имеет два минимума энергии при ненулевой поляризации. Это указывает на то, что сегнетоэлектрический материал будет иметь ненулевую поляризацию без приложенного электрического поля. Легко видеть, что в области вблизи нулевого заряда кривизна энергетической кривой сегнетоэлектрического конденсатора противоположна кривизне обычного конденсатора, так что его емкость С < 0 (рис.2 (с) и (d)).

 

Рис. 6.2. Атомная структура типичного сегнетоэлектрического материала Pb(ZrxTi1-x)O3 (PZT).

 

Рис.6.3 Зависимость заряда (Q)  от напряжения (V) сегнетоэлектрического конденсатора. Красные значки представляют собой коэрцитивные напряжения сегнетоэлектрического слоя.

Рис.6.2 иллюстрирует атомную структуру типичного сегнетоэлектрического материала. Сегнетоэлектрический материал имеет два устойчивых состояния (по энергии), т. е. два поляризационных состояния. Состояние поляризации может быть переключено в другое состояние с помощью внешнего смещения. Когда внешнее электрическое поле сильнее, чем коэрцитивное электрическое поле сегнетоэлектрического материала, атом в центре элементарной ячейки может перемещаться вверх или вниз, что приводит к переключению состояния поляризации (см. рис.6.3).

Чтобы понять возникновение отрицательной емкости, давайте предположим, что на сегнетоэлектрический конденсатор, поляризованный в определенном направлении, подается внешнее напряжение. Когда напряжение становится выше, чем коэрцитивное напряжение сегнетоэлектрического материала, состояние поляризации должно быть переключено в другое состояние. Это делает производную изменения заряда к изменению напряжения отрицательной (т. е. dQ/dV < 0). Поскольку емкость как физическая величина определяется производной dQ/dV, отрицательное значение dQ/dV (т. е. отрицательный наклон зависимости Q от V) указывает на отрицательную дифференциальную емкость. Другими словами, во время поляризационного переключения сегнетоэлектрического материала, дифференциальная емкость отрицательна. Однако нужно также обратить внимание, что в этой области материал неустойчив, поскольку рассматриваемая область энергии находится далеко от энергетического минимума. Эта неустойчивость приводит к типичному гистерезисному поведению сегнетоэлектрического материала (см. пунктирные линии на рис. 6.1).

Для транзисторов цифровых схем необходимо иметь идентичные пороговые напряжения для операций включения и выключения. Однако сегнетоэлектрические материалы, используемые в конденсаторах, имеют характеристику гистерезиса, что препятствует использованию NCFET в качестве транзисторов логических схем.

Как удалить гистерезис сегнетоэлектрического конденсатора?

На рис.6.4 представлена схема сегнетоэлектрического транзистора. В NCFET слой сегнетоэлектрического материала добавляется поверх оксида диэлектрика обычного МОП-транзистора. Сравним схемы емкостного делителя традиционного МОПТ (рис.1.7) и сегнетоэлектрического транзистора (рис.6.4).

В традиционном МДПТ потенциал поверхности определяется простой емкостной моделью с емкостью оксида затвора C_ox и емкостью обеднения C_dep, так что

,  (6.4)

                                                         (6.5)

Рис.6.4 Схема сегнетоэлектрического полевого транзистора и емкостного делителя

 

Из (6.4),(6.5) видно, что общая емкость  цепочки из двух конденсаторов  меньше емкости каждого отдельного конденсатора, а поверхностный потенциал  меньше напряжения питания. При этом напряжение на конденсаторе  равно напряжению затвора (питания).

В сегнетоэлектрическом транзисторе емкость сегнетоэлектрика включена последовательно с емкостью , так что если  для потенциала  на емкости  имеем

 

                                   (6.6)

Таким образом, эффективное напряжение, действующее на , оказывается больше напряжения затвора – своеобразный трансформатор напряжения. Это обеспечивает больший поверхностный потенциал , следовательно, больший инверсный заряд, больший рабочий ток и более резкое переключение. 

В то же время общая емкость последовательного соединения  и положительна:

     (6.7)

если .

Поскольку общая емкость последовательной комбинации положительна, то общая система остается стабильной и не будет показывать никакого гистерезиса. Таким образом, сегнетоэлектрик может быть частью стабильной системы, хотя сам по себе и находится в неустойчивом состоянии отрицательной емкости. Из уравнения (6.7) также можно видеть, что общая емкость C в этой последовательной комбинации больше, чем любая из двух составляющих емкости –  и . Это означает, что общая суммарная емкость увеличена. В этом состоит принципиальное отличие схем с отрицательной емкостью от обычных схем, в которых при последовательном соединении двух обычных конденсаторов, общая емкость будет меньше, чем любая из составляющих конденсаторов. Поскольку суммарная емкость увеличилась, когда  отрицательно, можно получить увеличенное количество заряда при том же напряжении. В то же самое время, требуемое напряжение можно уменьшить, сохранив ту же самую величину заряда. Именно по этой причине эффект отрицательной емкости может уменьшить напряжение питания в МОП транзисторе. Кроме того, из-за этого усилительного эффекта заряда, размах может быть <60 мВ/дек при комнатной температуре.

На рисунке 6.5 показаны графики зависимости энергии (U) от заряда (Q) трех различных случаев: (i) обычный диэлектрический конденсатор (DE), (ii) сегнетоэлектрический конденсатор (FE) и (iii) конденсатор «диэлектрик + сегнетоэлектрик» (DE+FE), (который состоит из последовательного соединения сегнетоэлектрического и диэлектрического конденсаторов). Когда два конденсатора соединены последовательно, может быть получена красная кривая зависимости энергии от заряда (см. рис. 6.5 ), которая, является согласованным состоянием емкостной общей конденсаторной системы. В последнем случае кривая зависимости U от Q имеет единственный энергетический минимум и, следовательно, гистерезис сегнетоэлектрического конденсатора более не существует. Таким образом, емкость NCFET, совместимая с диэлектрической емкостью, может работать без какого-либо гистерезиса (то есть окно гистерезиса ~ 0 В).

Рис.6.5 Зависимости U от Q диэлектрического конденсатора (DE), сегнетоэлектрического конденсатора (FE) и конденсатора, который состоит из последовательно включенных диэлектрического и сегнетоэлектрического конденсаторов (DE + FE).

Большинство сегнетоэлектрических материалов несовместимы с процессом КМОП и могут загрязнить технологический процесс. Они также показывают большую диэлектрическую проницаемость (более 1000), которая может увеличить емкость затвора на несколько порядков, ухудшая динамические характеристики. С введением оксида гафния, легированного алюминием и цирконием, сегнетоэлектрических материалов на основе (HfAlO_x/HfZrO_x), могут быть достигнуты КМОП-совместимость и низкие диэлектрический константы (<30). Однако поляризация сегнетоэлектрических материалов на основе оксида гафния ниже по сравнению с титанатом свинца или материалами на основе цирконата свинца Более низкое значение остаточной поляризации приводит к более низким токам во включенном состоянии.

При создании первых NCFET использовали типичные сегнетоэлектрические материалы, такие как PZT (Pb(Zr_xTi_1-x)O₃, BFO (BiFeO₃) поскольку было легко изготовить сегнетоэлектрические конденсаторы с этими материалами. Тем не менее, эти материалы должны были быть изготовлены так, чтобы иметь толщину в несколько десятков нанометров или даже больше, чтобы иметь превосходные сегнетоэлектрические свойства. Кроме того, эти материалы несовместимы с существующим КМОП процессом. Ориентируясь на эти технические проблемы, активно разрабатываются сегнетоэлектрические материалы на основе гафния. Последующие исследования показали, что, интегрируя гафний-оксидный сегнетоэлектрик (обратите внимание, что текущий КМОП-процесс использует гафний-оксид в качестве диэлектрического материала затвора в массовом производстве), можно улучшить КМОП-совместимость NCFET. Кроме того, гафний-оксидный сегнетоэлектрический слой может быть достаточно тонким для агрессивно масштабированных транзисторов (в частности, был продемонстрирован суб-3нм гафний-оксид слой).

В лучших экспериментальных результатах был достигнут подпороговый размах ~6мВ/дек.

Явление отрицательной емкости наблюдается только при поляризационном переключении сегнетоэлектрических материалов. Следовательно, скорость NCFET ограничена временем переключения поляризации из одного стабильного состояния в другое. Большинство сегнетоэлектрических материалов проявляют большое время переключения поляризации. Однако материалы на основе легированного цирконием сегнетоэлектрика оксида гафния (HfZrO_x) показали отрицательную емкость и поляризацию переключения даже на частоте 1МГц. Использование NCFET на основе легированного оксида гафния могут проложить путь для его использования в маломощных приложениях. Для достижения цели потребуются альтернативные материалы с меньшим временем переключения в частотном диапазоне ГГц, который является обычным в цифровых схемах.