Published July 27, 2016
| Version v1
Publication
Open
Negative capacitance transistors with monolayer black phosphorus
- 1. University of Hong Kong
- 2. Peking University
- 3. Institute of Microelectronics
- 4. McGill University
Description
Abstract Quantum transport properties of negative capacitance transistors (NC-FETs) with monolayer black phosphorus (ML-BP) are theoretically studied. Our calculations show that atomistic thin ML-BP can enhance the amplification effect of the ferroelectric layer, and subthreshold swing is effectively reduced to 27 mV per decade in ML-BP NC-FETs. Device performance can be further improved by increasing the thickness of ferroelectric layer and using thinner or high- k insulate layer. Due to the temperature dependence of ferroelectric layer ML-BP NC-FETs have higher on-state current at low temperature, which is different from that of MOSFETs. By considering the metal–ferroelectric interface layer, our calculations show that the device performance is degraded by the interface. Compared with the International Technology Roadmap (ITRS) 2013 requirements, ML-BP NC-FETs can fulfil the ITRS requirements for high-performance logic with a reduced supply voltage. The new device can achieve very low power delay product per device width at V D =0.3 V, which is just 44% of that in ML-BP FETs.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
تجري دراسة خصائص النقل الكمومي المجرد لترانزستورات السعة السلبية (NC - FETs) مع الفوسفور الأسود أحادي الطبقة (ML - BP) من الناحية النظرية. تُظهر حساباتنا أن ML - BP الرقيق الذري يمكن أن يعزز تأثير تضخيم الطبقة الفيروكهربية، ويتم تقليل التأرجح دون العتبة بشكل فعال إلى 27 مللي فولط لكل عقد في ML - BP NC - FETs. يمكن تحسين أداء الجهاز بشكل أكبر عن طريق زيادة سمك الطبقة الفيروكهربية واستخدام طبقة عازلة أرق أو عالية الجودة. نظرًا لاعتماد الطبقة الفيروكهربية على درجة الحرارة، فإن ML - BP NC - FETs لديها تيار أعلى في الحالة عند درجة حرارة منخفضة، وهو ما يختلف عن MOSFETs. من خلال النظر في طبقة الواجهة المعدنية الفيروكهربية، تظهر حساباتنا أن أداء الجهاز يتدهور بسبب الواجهة. بالمقارنة مع متطلبات خارطة طريق التكنولوجيا الدولية (ITRS) لعام 2013، يمكن لـ ML - BP NC - FETs تلبية متطلبات ITRs للمنطق عالي الأداء مع انخفاض جهد الإمداد. يمكن للجهاز الجديد تحقيق منتج تأخير طاقة منخفض جدًا لكل عرض للجهاز عند V D =0.3 فولت، وهو ما يمثل 44 ٪ فقط من ذلك في ML - BP FETs.Translated Description (French)
Les propriétés de transport quantique des transistors à capacité négative (NC-FET) avec du phosphore noir monocouche (ML-BP) sont théoriquement étudiées. Nos calculs montrent que le ML-BP fin atomistique peut améliorer l'effet d'amplification de la couche ferroélectrique, et que l'oscillation sous le seuil est effectivement réduite à 27 mV par décennie dans les NC-FET ML-BP. Les performances du dispositif peuvent être encore améliorées en augmentant l'épaisseur de la couche ferroélectrique et en utilisant une couche isolante plus mince ou à k élevé. En raison de la dépendance à la température de la couche ferroélectrique, les ML-BP NC-FET ont un courant à l'état passant plus élevé à basse température, qui est différent de celui des MOSFET. En considérant la couche d'interface métal-ferroélectrique, nos calculs montrent que les performances du dispositif sont dégradées par l'interface. Par rapport aux exigences de la feuille de route technologique internationale (ITRS) 2013, les NC-FET ML-BP peuvent répondre aux exigences ITRS pour une logique haute performance avec une tension d'alimentation réduite. Le nouveau dispositif peut obtenir un produit à très faible retard de puissance par largeur de dispositif à V D =0,3 V, ce qui représente seulement 44 % de celui des FET ML-BP.Translated Description (Spanish)
Resumen Las propiedades de transporte cuántico de los transistores de capacitancia negativa (NC-FET) con fósforo negro monocapa (ML-BP) se estudian teóricamente. Nuestros cálculos muestran que el ML-BP delgado atomístico puede mejorar el efecto de amplificación de la capa ferroeléctrica, y la oscilación por debajo del umbral se reduce efectivamente a 27 mV por década en los NC-FET de ML-BP. El rendimiento del dispositivo se puede mejorar aún más aumentando el grosor de la capa ferroeléctrica y utilizando una capa aislante más delgada o de alta k. Debido a la dependencia de la temperatura de la capa ferroeléctrica ML-BP, los NC-FET tienen una corriente de estado de encendido más alta a baja temperatura, que es diferente de la de los MOSFET. Al considerar la capa de interfaz metal-ferroeléctrica, nuestros cálculos muestran que el rendimiento del dispositivo se degrada por la interfaz. En comparación con los requisitos de la Hoja DE Ruta Tecnológica Internacional (ITRS) 2013, los NC-FET ML-BP pueden cumplir con los requisitos DE ITRS para la lógica de alto rendimiento con un voltaje de suministro reducido. El nuevo dispositivo puede lograr un producto de retardo de potencia muy bajo por ancho de dispositivo a V D =0.3 V, que es solo el 44% de los FET ML-BP.Files
npjquantmats20164.pdf.pdf
Files
(1.4 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:be531904f7fb68e8d22b527829fc51c5
|
1.4 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- ترانزستورات السعة السلبية مع الفوسفور الأسود أحادي الطبقة
- Translated title (French)
- Transistors à capacité négative avec phosphore noir monocouche
- Translated title (Spanish)
- Transistores de capacitancia negativa con monocapa de fósforo negro
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2498678925
- DOI
- 10.1038/npjquantmats.2016.4
References
- https://openalex.org/W1582017504
- https://openalex.org/W1596779608
- https://openalex.org/W1642514851
- https://openalex.org/W1857639049
- https://openalex.org/W1987571540
- https://openalex.org/W1995342877
- https://openalex.org/W1996569310
- https://openalex.org/W2000592881
- https://openalex.org/W2007725498
- https://openalex.org/W2010711237
- https://openalex.org/W2013468429
- https://openalex.org/W2016106189
- https://openalex.org/W2025516544
- https://openalex.org/W2032197740
- https://openalex.org/W2041311241
- https://openalex.org/W2045318207
- https://openalex.org/W2087606949
- https://openalex.org/W2088034301
- https://openalex.org/W2090835575
- https://openalex.org/W2092639597
- https://openalex.org/W2111088552
- https://openalex.org/W2140282181
- https://openalex.org/W2150315430
- https://openalex.org/W2177833829
- https://openalex.org/W2203084632
- https://openalex.org/W2220423590
- https://openalex.org/W2329488343
- https://openalex.org/W2337712486
- https://openalex.org/W3100546025
- https://openalex.org/W3101747384
- https://openalex.org/W3106525853