后 CMOS 兼容氮化铝钪/二维沟道铁电场效应晶体管
应用物理
2021-05-26 v1 介观与纳米尺度物理
材料科学
摘要
1963 年，Moll 和 Tarui 提出可利用铁电（FE）材料的剩余极化来控制半导体的场效应电导，从而制造铁电场效应晶体管（FE-FET）。然而，后续制造实用、紧凑 FE-FET 的努力一直受困于低保持力以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺集成的不兼容性。这些困难促使了基于俘获电荷的存储器件（亦称浮栅或闪存）的发展，其现已成为主流的非易失性存储器（NVM）技术。过去二十年，氧化物铁电材料的进展使铁电领域焕发生机，并使铁电随机存取存储器（FE-RAM）成为商业现实。尽管取得这些进展，基于锆钛酸铅（PZT）的商用 FE-RAM 因工艺挑战而停滞在 130 nm 节点。近期发现的钪掺杂氮化铝（AlScN）作为一种 CMOS 兼容铁电材料，由于 AlScN 沉积温度低（约 350 ℃），为与逻辑晶体管直接集成存储提供了新机遇。该温度与 CMOS 后段制程兼容。在此，我们展示了一种由 AlScN 铁电介质层与范德瓦耳斯二维（2D）半导体 MoS2 沟道层集成而成的 FE-FET 器件。我们的器件显示出约 10^6 的开关比，同时具有 0.3 V/nm 的归一化存储窗口。器件还展现出长达 10^4 秒的稳定双态存储保持能力。我们的仿真与实验结果表明，AlScN 与 2D 半导体的组合近乎是低功耗 FE-FET 存储器的理想选择。这些结果展示了嵌入式存储与存内计算的新途径，甚至可能催生高效的神经形态计算架构。
引用
@article{arxiv.2010.12062,
title = {Post-CMOS Compatible Aluminum Scandium Nitride/2D Channel Ferroelectric Field-Effect-Transistor},
author = {Xiwen Liu and Dixiong Wang and Jeffrey Zheng and Pariasadat Musavigharavi and Jinshui Miao and Eric A. Stach and Roy H. Olsson and Deep Jariwala},
journal= {arXiv preprint arXiv:2010.12062},
year = {2021}
}