Nanometer-Thick Oxide Semiconductor Transistor with Ultra-High Drain Current

材料科学 光电子学 跨导 晶体管 半导体 电流密度 饱和速度 电气工程 电压 物理 量子力学 工程类
作者
Zehao Lin,Mengwei Si,Vahid Askarpour,Chang Niu,Adam Charnas,Zhongxia Shang,Yizhi Zhang,Yaoqiao Hu,Zhuocheng Zhang,Pai-Ying Liao,Kyeongjae Cho,Haiyan Wang,Mark Lundstrom,Jesse Maassen,Peide D. Ye
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (12): 21536-21545 被引量:21
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c10383
摘要

High drive current is a critical performance parameter in semiconductor devices for high-speed, low-power logic applications or high-efficiency, high-power, high-speed radio frequency (RF) analogue applications. In this work, we demonstrate an In2O3 transistor grown by atomic layer deposition (ALD) at back-end-of-line (BEOL) compatible temperatures with a record high drain current in planar FET, exceeding 10 A/mm, the performance of which is 2-3 times better than all known transistors with semiconductor channels. A high transconductance reaches 4 S/mm, recorded among all transistors with a planar structure. Planar FETs working ballistically or quasi-ballistically are exploited as one of the simplest platforms to investigate the intrinsic transport properties. It is found experimentally and theoretically that a high carrier density and high electron velocity both contribute to this high on-state performance in ALD In2O3 transistors, which is made possible by the high-quality oxide/oxide interface, the metal-like charge-neutrality-level (CNL) alignment, and the high band velocities induced by the low density-of-state (DOS). Experimental Hall, I-V, and split C-V measurements at room temperature confirm a high carrier density of up to 6-7 × 1013 /cm2 and a high velocity of about 107 cm/s, well-supported by density functional theory (DFT) calculations. The simultaneous demonstration of such high carrier concentration and average band velocity is enabled by the exploitation of the ultrafast pulse scheme and heat dissipation engineering.
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