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Sub-60 mV/decade switching in 2D negative capacitance field-effect transistors with integrated ferroelectric polymer

铁电性 材料科学 负阻抗变换器 光电子学 场效应晶体管 晶体管 电容 电介质 栅极电介质 纳米技术 磁滞 电压 电气工程 凝聚态物理 化学 电极 物理 工程类 电压源 物理化学
作者
Felicia McGuire,Zhihui Cheng,Katherine Price,Aaron D. Franklin
出处
期刊:Applied Physics Letters [American Institute of Physics]
卷期号:109 (9) 被引量:115
标识
DOI:10.1063/1.4961108
摘要

There is a rising interest in employing the negative capacitance (NC) effect to achieve sub-60 mV/decade (below the thermal limit) switching in field-effect transistors (FETs). The NC effect, which is an effectual amplification of the applied gate potential, is realized by incorporating a ferroelectric material in series with a dielectric in the gate stack of a FET. One of the leading challenges to such NC-FETs is the variable substrate capacitance exhibited in 3D semiconductor channels (bulk, Fin, or nanowire) that minimizes the extent of sub-60 mV/decade switching. In this work, we demonstrate 2D NC-FETs that combine the NC effect with 2D MoS2 channels to extend the steep switching behavior. Using the ferroelectric polymer, poly(vinylidene difluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)), these 2D NC-FETs are fabricated by modification of top-gated 2D FETs through the integrated addition of P(VDF-TrFE) into the gate stack. The impact of including an interfacial metal between the ferroelectric and dielectric is studied and shown to be critical. These 2D NC-FETs exhibit a decrease in subthreshold swing from 113 mV/decade down to 11.7 mV/decade at room temperature with sub-60 mV/decade switching occurring over more than 4 decades of current. The P(VDF-TrFE) proves to be an unstable option for a device technology, yet the superb switching behavior observed herein opens the way for further exploration of nanomaterials for extremely low-voltage NC-FETs.
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