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Density functional theory based study of biaxially strained ferroelectric materials and applications to negative capacitance FETs = 이축 변형된 강유전체 물질에 대한 밀도 범함수 기반 연구 및 NCFET 소자 시뮬레이션에의 응용
서명 / 저자 Density functional theory based study of biaxially strained ferroelectric materials and applications to negative capacitance FETs = 이축 변형된 강유전체 물질에 대한 밀도 범함수 기반 연구 및 NCFET 소자 시뮬레이션에의 응용 / Moon-Hoi Kim.
저자명 Kim, Moon-Hoi ; 김문회
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2019].
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초록정보

Over the past few decades, the numerous works have delved into the steep-slope device that can surmount the “Boltzmann tyranny,” and negative capacitance FETs (NCFETs) have recently drawn a lot of attention as a most probable steep-slope device. Of the most technologically important factor determining the performance of NCFETs is the functionality of the ferroelectric layer integrated into the gate stack. Among a few factors that can conspicuously change the functionality of ferroelectric materials, the epitaxial strain is one of the crucial issues because it can be imposed either naturally or artificially. In this thesis, we report device simulations conducted to study the performance of biaxially strained ferroelectric-based NCFETs. We adopted Pb($Zr_xTi_{1-x}$)$)$O_3$ (PZT) and $HfO_2$ as representative ferroelectric materials and applied biaxial strain using the first-principles method. We have found that mainly due to the simple polarization switching pathway of PZT, PZT-based NCFETs show monotonous variation to the biaxial strain. However, unlike the PZT, $HfO_2$ has multiple switching pathways and strain dependence of each pathway is noticeably different. We have found that $P4_2$/nmc pathway-based $HfO_2$ exhibits a large variation in negative capacitance with biaxial strain, whereas Pbcm pathway-based $HfO_2$ is insensitive to the biaxial strain. As a result, $HfO_2$-based NCFETs show large variations depending on the switching pathways and strain. Especially, we suggest that the performance difference between $P4_2$/nmc pathway-based NCFETs and Pbcm pathway-based NCFETs can be noticeably decreased by inducing the tensile strain along the x-direction. In this work, we have identified that switching pathway of $HfO_2$ is a critical factor when the strain engineering is conducted on $HfO_2$.

네거티브 캐패시턴스 전계 효과 트랜지스터 (NCFETs)는 “Boltzmann tyranny”를 극복할 수 있는 steep-slope 소자로서 최근에 많은 주목을 받고 있다. 강유전체 물질에서 이축 변형은 자연적으로 또는 인위적으로 인가될 수 있기 때문에 특히 중요하다. 본 논문에서는 이축 변형된 강유전체 기반의 NCFET 소자 시뮬레이션을 수행하였다. 강유전체 물질로 Pb($Zr_xTi_{1-x}$)$O_3$ (PZT)와 $HfO_2$를 채택하고, 제일 원리 방법을 기반으로 이축 변형을 적용했다. 그 결과 PZT 기반 NCFET은 PZT 물질의 간단한 편극 전환 경로 때문에 이축 변형에 단조로운 변화를 보였다. 반면에 $HfO_2$는 다중 편극 전환 경로를 가지고 있으며, 각각의 경로는 이축 변형에 대한 효과가 다르게 나타나는 것을 확인하였다. P42/nmc 경로 기반 $HfO_2$는 이축 변형에 대해 큰 변화를 보인 반면, Pbcm 경로 기반 $HfO_2$는 큰 변화가 없음을 확인하였다. 결과적으로, $HfO_2$ 기반 NCFET은 편극 전환 경로 및 이축 변형에 따라 성능에서 큰 차이를 보임을 확인하였다. 또한 이러한 성능 차이는 x축에 대한 인장 변형을 유도함으로써 현저하게 감소시킬 수 있음을 보였다. 본 연구를 통하여 $HfO_2$의 다중 편극 전환 경로의 존재는 이축 변형 공학에 있어서 고려해야 할 중요한 요소임을 확인하였다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {MEE 19016
형태사항 v, 54 p. : 삽도 ; 30 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 김문회
지도교수의 영문표기 : Mincheol Shin
지도교수의 한글표기 : 신민철
학위논문 학위논문(석사) - 한국과학기술원 : 전기및전자공학부,
서지주기 References : p. 47-52
주제 Negative capacitance FETs
ferroelectric
strain engineering
Pb($Zr_x$, $Ti_{y-x}$)$O_3$
$HfO_2$
네거티브 캐패시턴스 전계 효과 트랜지스터
강유전체
변형 공학
Pb($Zr_x$, $Ti_{y-x}$)$O_3$
$HfO_2$
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