Stacked Nanosheet Gate‐All‐Around Morphotropic Phase Boundary Field‐Effect Transistors

材料科学 纳米片 跨导 光电子学 场效应晶体管 晶体管 阈下斜率 电容 铁电性 电气工程 电介质 电压 纳米技术 化学 工程类 电极 物理化学
作者
Sihyun Kim,Hyun‐Min Kim,Ki‐Ryun Kwon,Daewoong Kwon
出处
期刊:Advanced Science [Wiley]
标识
DOI:10.1002/advs.202413090
摘要

Abstract A material design method is proposed using ferroelectric (FE)–antiferroelectric (AFE) mixed‐phase HfZrO 2 (HZO) to achieve performance improvements in morphotropic phase boundary (MPB) field‐effect transistors (MPB‐FETs), such as steep subthreshold swing ( SS ) and non‐hysteretic on‐current ( I on ) enhancement. Capacitance (small‐signal and quasi‐static) and transient current measurements of MPB‐FETs confirmed that near‐threshold voltage ( V TH ) capacitance amplification leads to I on boosts under high‐speed and low‐power conditions. For the first time, two‐stacked nanosheet (NS) gate‐all‐around (GAA) MPB‐FETs with optimized HZO, demonstrating superior short channel effect (SCE) immunity with enhanced current drivability is fabricated. Bias temperature instability (BTI) analyses revealed over‐10‐year endurance at 0.6 V and 120 °C. The NS MPB‐FETs achieved a 24.1% I on gain, 82.5 mV operating voltage scalability, and a 30.7% AC performance improvement at V DD = 0.6 V compared to control MOSFETs with HfO 2 high‐k dielectric. Transconductance benchmarks with industrial logic technologies confirmed that the MPB with mixed HZO enables effective oxide thickness scaling without mobility degradation, making NS MPB‐FETs an ideal choice for low‐power / high‐performance CMOS technology.

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