Ferroelectric field-effect-transistor has been considered a promising nonvolatile memory device due to its CMOS compatibility, scalability, and energy efficiency. However, the device physics has not been studied well, which hinders FEFET development and process design kit construction for the applications. In this paper, we report a comprehensive understanding of the n/pFEFET operation mechanism as a nonvolatile memory device, for the first time, based on quasi-static split C-V (QSCV) measurement. We suggest a new methodology to examine the device and show the existence of excess trapped charge and the true nonvolatile polarization. Furthermore, we found that charge trapping is necessary to switch polarization in FEFET. Finally, based on our physical findings and insight, we propose a new erase mode that leads to a wider memory window and higher write endurance (>10^10 cycles).
강유전 전계효과 트랜지스터는 상보성 금속산화막 반도체와의 호환성, 스케일 가능성, 에너지 효율성으로 인해 비휘발성 메모리 소자로서 각광받고 있다. 하지만 소자의 물리적 특성에 대해서는 아직 깊이 연구가 되지 않았고, 이는 강유전 전계 효과 트랜지스터의 발전을 저하시키며 상업화를 위한 공정 디자인 키트 구축을 어렵게 한다. 따라서 본 논문에서는 준정적 분리 커패시턴스-전압 측정 방법을 이용하여 전자 채널과 정공 채널을 갖는 강유전 전계 효과 트랜지스터의 종합적 동작 원리를 처음으로 밝힌다. 이러한 분석을 위해 강유전 전계 효과 트랜지스터에 적합한 새로운 측정 기법을 개발하였으며 이를 통해 초과 포획 전하의 존재를 밝히고 정확한 비휘발성 극성을 측정 및 계산하는 방법을 제시한다. 또한, 전자 포획이 강유전 극성 변화를 위해 반드시 필요함을 밝힌다. 마지막으로, 새로 발견한 물리적 특성을 기반으로 소자를 다르게 동작하여, 같은 소자에서도 향상된 소자 성능 (넓은 메모리 반경, 높은 내구성)을 갖는 새로운 동작 모드를 제시한다.
