[송도원 학생, 차국린 교수] 높은 전자밀도를 제어할 수 있는 high-k 유전체 개발 (Science Advances 논문 게재)
High-k perovskite gate oxide for modulation beyond 1014 cm-2
반도체소자의 집적화에 따라 전계효과 트랜지스터(FET)의 동작전압을 낮추고 더 작은 면적에 충분한 전하를 저장하기 위해서 high-k 유전물질이 필수적이다. 본 연구에서는 페로브스카이트(perovskite) 산화물인 BaHfO3 (BHO)와 BaTiO3 (BTO)의 조합된 시스템인 BaHf0.6Ti0.4O3 (BHTO)의 유전특성에 대하여 연구하였다. 이 유전체의 유전상수, 항복전기장 (breakdown field), 누설전류는 각각 150, 5 MV/cm, 10-4 A/cm2 (2 MV/cm 전기장에서)으로 측정되었다. 이 값들로부터 BHTO 유전체가 최대로 제어할 수 있는 2차원 전하밀도는 1014 cm-2 이상으로 계산되고, 보통의 유전체들은 유전상수가 큰 경우 항복전기장이 반비례하여 작으므로 이 값을 얻기 쉽지 않다. 이 유전체를 유전막으로 사용하여 실제로 n-type 축적 모드 (accumulation mode) FET와 공핍 모드 (depletion mode) FET를 구현하는데 성공하여 실제로 1014 cm-2의 전하밀도를 제어함을 확인하였다. 유전상수가 높으면서 동시에 높은 항복전기장을 가지고 낮은 누설전류를 가질 수 있는 원인은 나노미터 단위 스케일의 티타늄의 군집화 현상이고, 이 모델에 따르면 이 구조를 가지게 되면 유전체의 누설 전류 및 항복에 영향을 주는 percolation 통로 형성을 억제하는 효과가 있다.
반도체소자의 집적화에 따라 전계효과 트랜지스터(FET)의 동작전압을 낮추고 더 작은 면적에 충분한 전하를 저장하기 위해서 high-k 유전물질이 필수적이다. 본 연구에서는 페로브스카이트(perovskite) 산화물인 BaHfO3 (BHO)와 BaTiO3 (BTO)의 조합된 시스템인 BaHf0.6Ti0.4O3 (BHTO)의 유전특성에 대하여 연구하였다. 이 유전체의 유전상수, 항복전기장 (breakdown field), 누설전류는 각각 150, 5 MV/cm, 10-4 A/cm2 (2 MV/cm 전기장에서)으로 측정되었다. 이 값들로부터 BHTO 유전체가 최대로 제어할 수 있는 2차원 전하밀도는 1014 cm-2 이상으로 계산되고, 보통의 유전체들은 유전상수가 큰 경우 항복전기장이 반비례하여 작으므로 이 값을 얻기 쉽지 않다. 이 유전체를 유전막으로 사용하여 실제로 n-type 축적 모드 (accumulation mode) FET와 공핍 모드 (depletion mode) FET를 구현하는데 성공하여 실제로 1014 cm-2의 전하밀도를 제어함을 확인하였다. 유전상수가 높으면서 동시에 높은 항복전기장을 가지고 낮은 누설전류를 가질 수 있는 원인은 나노미터 단위 스케일의 티타늄의 군집화 현상이고, 이 모델에 따르면 이 구조를 가지게 되면 유전체의 누설 전류 및 항복에 영향을 주는 percolation 통로 형성을 억제하는 효과가 있다.
Scaling down of semiconductor devices requires high-k dielectric materials to continue lowering the operating voltage of field-effect transistors (FETs) and storing sufficient charge on a smaller area. Here, we investigate the dielectric properties of epitaxial BaHf0.6Ti0.4O3 (BHTO), an alloy of perovskite oxide barium hafnate (BaHfO3) and barium titanate (BaTiO3). We found the dielectric constant, the breakdown field, and the leakage current to be 150, 5.0 megavolts per centimeter (MV cm−1), and 10−4 amperes per square centimeter at 2 MV cm−1, respectively. The results suggest that two-dimensional (2D) carrier density of more than n2D = 1014 per square centimeter (cm−2) could be modulated by the BHTO gate oxide. We demonstrate an n-type accumulation mode FET and direct suppression of more than n2D = 1014 cm−2 via an n-type depletion-mode FET. We attribute the large dielectric constant, high breakdown field, and low leakage current of BHTO to the nanometer scale stoichiometric modulation of hafnium and titanium.
Authors: Dowon Song, Myoungho Jeong, Juhan Kim, Bongju Kim, Jae Ha Kim, Jae Hoon Kim, Kiyoung Lee, Yongsung Kim, Kookrin Char*
DOI: 10.1126/sciadv.abm3962
Published online: March 18, 2022