High-Performance Top-Gated and Double-Gated Oxide–Semiconductor Ferroelectric Field-Effect Transistor Enabled by Channel Defect Self-Compensation Effect

材料科学 光电子学 钝化 异质结 晶体管 铁电性 场效应晶体管 半导体 电气工程 纳米技术 电子工程 电压 图层(电子) 工程类 电介质
作者
Chun-Kuei Chen,Sonu Hooda,Zihang Fang,Mohan Lal,Zefeng Xu,Jieming Pan,Shih-Hao Tsai,Evgeny Zamburg,Aaron Thean
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:70 (4): 2098-2105 被引量:12
标识
DOI:10.1109/ted.2023.3242633
摘要

In this article, we demonstrate a low-thermal budget defect-engineered process to achieve top-gated (TG) oxide–semiconductor ferroelectric field-effect transistors (FeFETs). The demonstrated TG FeFETs, with the channel length scaled down to 40 nm, exhibit a highly stabilized ferroelectric memory window (MW) of 2 V and a high current ON/ OFF ratio of $10^{{6}}$ . This is achieved by an engineered InGaZnOx (IGZO) and InSnOx (ITO) heterojunction channel that produces the defect self-compensation effect to passivate the intrinsic oxygen-deficient defects, existing in the indium-gallium-zinc-oxide (IGZO) channel interface and bulk. Effective interface/bulk defects passivation with good control of defect-induced channel carrier concentration has been notoriously difficult to achieve. Hence, realizing performant TG oxide-based FeFETs with back-end-of-line (BEOL) thermal budget constraints remains a fundamental challenge. Our study shows that heterojunction channel engineering on FETs and FeFETs can be a reliable solution to overcome this challenge. With such a technique, we can now enable double-gated (DG) ITO–IGZO FeFET and FETs. Such devices can enable BEOL-compatible reconfigurable nonvolatile logic switches that provide extremely low off-state leakage, high switch conductance ratio, and memory read-write disturb-free features.
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