위상학적 절연체를 이용한 60 mV/decade 이하의 스위칭 특성을 가진 CMOS 반도체 소자 : Steep Switching Sub-60 mV/decade CMOS Devices using Topological Insulator

국문 초록 (Abstract)

현재까지의 Complementary Metal Oxide Semiconductor (CMOS) 소자는 무어의 법칙(Moore’s Llaw)에 따라 소자의 크기를 줄이고 집적화를 높이면서 성능향상을 이뤄내는 기술 발전을 지속하였다. 하지만 소자의 구동전압을 충분히 낮추지 못하면서 그에 따른 소비 전력의 증가와 심각한 발열 문제로 기술적 한계에 봉착했다. “Boltzmann tyranny“ 라고 하는 이러한 물리적, 기술적 한계를 극복하기 위해 스팁 스위칭 소자 (Steep Switching device)의 필요성이 대두되었다. 본 연구는 이러한 스팁 스위칭 소자 중 NCFET과 유사한 방법으로 위상학적 절연체 (Toplogical insulator: TI)라는 새로운 물질을 활용, 음의 값을 갖는 양자 커패시턴스 효과를 이용하여 SS 소자를 구현하는 방법에 대해서 논의한다. TI가 기존의 다른 물질들과 구별 되면서 새로운 물질로서 큰 관심을 받은 이유는 물질의 표면은 금속과 같이 높은 전도성을 갖는 데에 반해 물질의 내부는 절연체와 같이 동작하는 것인데, 이는 물질 하나가 동시에 절연체와 전도체의 성질을 동시에 갖는 다는 것을 의미한다. 최근 연구에서는 물질 표면의 topological surface state (TSS)와 two-dimensional electron state (2DES)가 존재하는 사실이 알려지면서, 물질의 표면에 존재하는 2DES를 이용하여 양자 커패시턴스를 구현하려는 연구가 지속되고 있다. 양자 커패시턴스는 커패시터의 한 쪽 혹은 양 쪽 극판이 low density of state (DOS) system을 갖게 될 때 발생한다. 따라서 TI 물질인 Bi2Te3의 표면 상태를 이용하여 양자 커패시턴스를 관측할 가능성을 이론적으로 예측할 수 있고, 이를 실험을 통해 검증하였다. 또한, Bi2Te3를 MOSFET의 gate oxide 위에 증착하여 C-V 측정을 통해 MOS 커패시터 내에서 총 커패시턴의 증폭을 확인 할 수 있을 것이다. 커패시턴스 증폭 효과를 통해, 결과적으로 기존 보다 더 낮은 게이트 전압으로도 소자의 채널을 control하는 것이 이론적으로 가능하다는 것을 의미하며, 저전력 소자의 구현 가능성을 의미한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In the past few decades, silicon-based CMOS technology has successfully developed by scaling its device size down. Since recently power density problem has been arisen, however, the technology faces the fundamental limit for scaling. For overcoming this obstacle, many different kinds of steep switching devices have been studied. Topological insulator (TI) is proposed to realize the steep switching devices as a promising material in this paper. The material has been reported to have exotic physical properties. The conducting two-dimensional surface state is one of the most interesting characteristic of TI. The negative quantum capacitance effect from its surface state can be used to boosts total capacitance in conventional MOSFET, and finally sub-60mV/decade devices can be accomplished. For confirming theses physical and electrical properties, Metal-TI-Oxide-Silicon capacitor (MTOSCAP) (i.e. MOSCAP which has TI as an insulator layer) is fabricated and shows positive or negative quantum capacitance in capacitance-voltage measurement at room temperature. Based on this experimental result, simulation is conducted to TI-MOSFET as a novel steep switching device structure. In this simulation, the calculated total capacitance of TI-MOSFET soars in subthreshold region due to the negative quantum capacitance effect. Furthermore, the subthreshold swing of the TI-MOSFET is also improved (i.e. SS ~ sub-60 mV/decade), and in theoretical method this result provides an opportunity that the TI-MOSFET can work as steep switching device.

목차 (Table of Contents)

• 1. Introduction 1
• 1.1 Moores Law 1
• 1.2 Steep Switching Devices 2
• 1.3 Topological Insulator and Quantum Capacitance 4
• 1.4 References 6
• 2. Measurement of The Quantum Capacitance from Two-dimensional Surface State of aTopological Insulator at Room Temperature 8
• 2.1 Introduction 8
• 2.2 Materials and Method 9
• 2.3 Results and Discussion 10
• 2.4 Conclusions 16
• 2.5 References 18
• 3. Experimental evidence of negative quantum capacitance in topological insulator for sub-60-mV/decade steep switching device 20
• 3.1 Introduction 20
• 3.2 Materials and Method 21
• 3.3 Results and Discussion 23
• 3.4 Conclusions 29
• 3.5 References 31
• 4. Modeling of TI-MOSFET showing Steep Switching behavior 32
• 4.1 Introduction 32
• 4.2 Calculation of Negative Quantum Capacitance 33
• 4.3 Results and Discussion 36
• 4.4 Conclusions 38
• 4.5 References 39
• 5. Conclusion 40
• 6. 국문초록 41
• 7. 감사의글 44