Controlling Ferroelectric Negative Capacitance in Multilayered Structures for Low Power Electronics/ Controlul capacitatii negative feroelectrice in sisteme multistrat pentru electronica de putere redusa


Project Director: Dr. Andra-Georgia Boni

Controlling Ferroelectric Negative Capacitance in Multilayered Structures for Low Power Electronics

ENG The negative capacitance (NC) field-effect transistor (NCFET) is a new contender on the list of solutions for overcoming the limitations of scalability and energy efficiency of conventional CMOS technology. Connecting an NC element to the gate of a FET transistor may lead to voltage amplification on the gate, thus reducing the power consumption and heat generation. Simple thermodynamic theory predicts that ferroelectrics (FE) can display such NC effect and many articles show evidence of it, both in fundamental research and in device implementations, however, there is still much ambiguity remaining in this subject. The objective of this proposal is to study the relationship between the stability of polarization in NC states in multilayers and the properties of the constituent layers. The first stage is dedicated to the influence of the passive elements on the properties of a high-quality FE thin film capacitor. Then, the electrostatic contribution of the passive elements will be replaced by thin-film layers with different electric properties (resistivity and polarizability). The main objective is to use a FE structure with NC characteristics to replace the oxide in a MOS structure and to analyze the differences in electric characteristics. With the same purpose, it will be analyzed, the FE structures that present multiple polarization states used by the candidate in previous studies. The possibility of passing through NC regime during this atypical switching, as well as the possibility of stabilizing some NC states associated with the intermediate polarizations and the continuous capacity states evidenced by the applicant will be investigated. Another novelty element of this project is to investigate the possibility of NC control using a soft FE or an antiferroelectric both with switching and back-switching at similar voltages, as a method for a hysteresis-free characteristics of a NCFET. The results from this project may be used for future implementation in NCFET devices

RO Tranzistorul cu efect de camp cu capacitate negativa (NCFET) este un concept nou introdus in lista solutiilor pentru depasirea limitarilor actualei tehnologii CMOS priviind scalabilitatea si eficienta energetica. Conectarea unui element NC la poartea uni tranzistor FET are ca efect amplificarea tensiunii pe poarta si astfel se reduce puterea consumata si disiparea caldurii. Modelul termodicamic prevede ca un feroelectric (FE) poate fi intr-un regim de NC si multe articole au ca subiect evidenta acestui regim atat in studii fundamentale cat si in implementarea in dispozitive. Obiectivul acestui proiect este studierea relatiei dintre stabilizarea unei stari NC in multistraturi si proprietatile starturilor constituente. Punctul de pornire il vor reprezenta studii ale influentei elementelor pasive de circuit externe asupra proprietatilor feroelectrice. Apoi se vor construi structuri multistrat in care elementele pasive vor fi inlocuite de filme subtiri cu diferite proprietati electrice. Ultima etapa a proiectului isi propune folosirea unei structuri feroelectrice ce prezinta charcteristicile unei NC stabilizate sau controlabila dinamic pentru inlocuirea oxidului din structurile clasice MOS si analizarea proprietatilor electrice. Totodata se vor analiza si structuri ferroelectrice ce prezinta multiple stari de polarizare folosite de candidat in studiile precendente. Se va analiza posibilitatea trecerii prin zone de NC in timpul acestui switching atipic, precum si  posibilitatea stabilizarii unor stari de NC asociate cu polarizarile intermediare si starile continui de capacitate. Un alt element de noutate al acestui proiect este investigarea posibilitatii controlului NC folosind un FE soft sau un antiferroelectric, cu switching si back-switching la tensiuni apropiate, ca solutie pentru reducerea histerezisului in caracteristica NCFET-ului. Rezultatele din acest proiect vor putea fi folosite in viitor pentru implementarea in dispozitive de tip NCFET.

Andra Georgia Boni- Project Leader/ Director Proiect

Cristian M. Teodorescu - Supervisor/ Mentor

In cadrul acestui proiect a fost dezvoltata o noua metoda de caracterizare dielectrica dinamica, pentru a investiga evoluția elementelor componente ale circuitului echivalent al unui condensator feroelectric în timpul comutării polarizării. S-a demostrat ca valoarea Rp are o scădere majoră în timpul comutării, fiind însoțită de valori negative ale lui Ctotal în timp ce capacitatea adevărată a stratului feroelectric rămâne tot timpul pozitivă în timpul comutării. Rezultatele experimentale sunt în foarte bună concordanță cu cele obținute prin efectuarea măsurării capacității/pierderilor cvasi-statice în funcție de d.c. tensiune aplicată pe condensatorul feroelectric (creștere/scădere asemănătoare unei scări), arătând o creștere mare a pierderilor în jurul tensiunii coercitive din cauza unei scăderi mari a rezistenței structurii condensatorului. Efectul NC tranzitoriu din timpul comutarii polarizarii contine contribuții atât din curentul de deplasare datorat variației de polarizare cu tensiunea aplicată, cât și curentul de conducție datorită redistribuirii sarcinilor libere implicate în compensarea câmpului de depolarizare. Discrepanța aparentă dintre rezultatele măsurătorilor C-V cvasi-statice și cele obținute prin diferențierea buclelor P-V dinamice poate fi reconciliată în acest mod, având în vedere că într-o stare cvasistatică contribuția efectelor tranzitorii in capacitate este neglijabilă.

 

Un rezultat importat al proiectului este reprezentat de o mai buna cunoastere a modului in care are loc reversarea polarizarii din punct de vedere electrostatic. Modelele teoretice ca teoria termodinamica sau cele ale cineticii de switching –exempli modelul Kolmogorov-Avrami-Ishibashi (KAI) nu iau in considerare elementele non-FE si distributia tensiunii pe diferite elemente ale cirucuitului de masura. Dispozitivele feroelectrice care sunt utilizate de obicei pentru aplicații de memorie și tranzistori conțin de obicei straturi cu proprietăți electrice diferite. Acest studiu arată că un rezistor sau un element capacitiv conectat în serie cu un FE ar putea avea influențe diferite asupra caracteristicilor de histerezis. Chiar dacă reconstrucția caracteristicilor de histerezis ale polarizării în funcție de căderea de tensiune pe FE este similară pentru multe configurații, modul în care are loc comutarea și distribuția tensiunii între componentele constitutive este radical diferită pentru un RS sau un CS. Rolul major atât pentru RS, cât și pentru CS este întârzierea compensării polarizării în timpul comutării, menținând sistemul FE în stări instabile asociate cu NC pentru perioade mai lungi. O amprentă a unui DNC este obținută pentru impulsuri cu amplitudini în jurul tensiunilor coercitive atât pentru CS, cât și pentru RS, dar acest regim este repetabil pentru impulsuri multiple pentru CS, dar nu pentru RS. DNC în cazul unei conexiuni RS este însoțit și de un DNR.

S-a demostart ca un condensator în serie influențează puternic imprintarea curbei de histerezis, ceea ce este dăunător pentru aplicația de memorie, dar ar putea fi utilizat cu succes în controlul și reducerea histerezisului în NCFET feroelectric pentru aplicații de calcul. Un element rezistiv crește tensiunea coercitivă aparentă la operarea la frecvențe mari, fiind dăunător pentru dispozitivele FE ce vizeaza un consum redus și viteză mare de operare, dar ar putea fi folosit pentru a obține și controla stări de polarizare intermediară cvasi-stabile pentru memoria multi-bit sau calcul neuromorfic.

Construirea de structuri de structure multistrat pentru a reproduce aceste caracteristici electrostatice reprezinta o provocare, deoarece trebuie obtinut un raport de capacitate bun între FE și elementele izolatoare sau un comportament pur rezistiv sau pur capacitive al straturilor non-FE.

Înțelegerea relației dintre caderea de tensiunea pe FE și tensiunea aplicată în funcție de elementul non-FE este foarte importantă pentru dezvoltarea în continuare a dispozitivelor bazate pe FE care să fie utilizate ca elemente NC sau în calculul neuromorfic.

Dupa ce s-a demonstrate rolul fiecarui strat de tip isolator sau semiconductor in structuri multistrat FE/I sau FE/S in caracteristica de switching s-au testat configuratii complexe de tip FE/I/S ce ar trebui sa inlozuieasca structurile de tip metal-oxid-semiconductor in electronica de putere redusa. S-a aratat ca datorita campurilor mari de depolarizare se obtine o scadere a polarizarii, un camp coercitiv mai mic ca in cazul PZT/S si se pastreaza caracterisitca de camp intern puternic ca in cazul structurii FE/I. Combinatia FE/I ca poarta intr-un transistor NCFET ar putea reduce semnificativ histerezisul- total dezavantajos in aplicatiile de computing-tranzistorii din procesoare- in comparatie cu cazul folosirii unui strat simplu de FE ca poarta.

Folosind metoda pulurilor, s-a demonstarat ca structurile de tip FE/I/FE ca in cazul PZT/BT/PZT ce prezinta comutari ale polarizarii in pasi, prezinta diferite regimuri de switching. Unul este caracterizat de back-switching, inducere de campuri interne puternice, probabil fara modificari ale distributiei de sarcini la electrozi si care are asociat o amplificare a capacitatii in comparatie cu straturile constitutente. Acest regim este asociat reversarii partiale a polarizarii intr-unul dintre straturi (configuratii head-to-head sau tail-to-tail)

Regimul de switching pentru tensiuni mai mari-pentru al doilea si al patrulea maxim de reversare in curent este caracterizat de o capacitate derivata negativa, asociata cu redistributia sarcinilor de compensare la electrozi. Totodata s-a evidentiat ca starile de polarizare intermediare au asociata o capacitate crescuta in comparatie cu cazul in care ambele straturi au polarizarea orientata in aceeasi directie.

The first stage (August-December 2020):

At this stage, capacitive type ferroelectric structures were made and analyzed. As Ferroelectric materials  PbZr0.2Ti0.8O3, BaSrTiO3  were chosen: deposited on a single crystal substrate of SrTiO3 or Si. The structural characterization achieved by XRD and TEM confirms the epitaxial growth of the layers component. AFM / PFM analyzes show that the samples have compact surfaces with low roughness. The electrical characterization results directly highlight the negative capacity regime during reversal polarization using a new dielectric characterization method. It was also studied how the elements of the external circuit influence the switching of the polarization, as well as the highlighting of the distribution of the voltage between the study element - the ferroelectric capacitor - and the rest of the circuit.

The second stage (January-December 2021):

In the second stage of the project, the influence of the intermediate layers on the structural and electrical characteristics of the ferroelectric-based multilayered structures was studied. The materials of the intermediate layers were SrTiO3 doped with Nb 0.7% with the role of semiconductor / high resistivity and BaSrTiO3 (Sr / Ti = 40/60) with the role of insulator with a high dielectric constant. The thickness of the intermediate layers was chosen around 10-20nm so that the STON layer would be the equivalent of a series resistor with Rs = 10-50kohmi and the BST layer would be the equivalent of a capacitor with Cs = 1-2nF. The thickness of the ferroelectric layer of PbZrTiO3 was chosen around 150-200 nm so that the capacity of the layer is around 50-100 pF. These ratios of equivalent physical thickness and size were chosen according to the results presented in the previous stage where the effect of the circuit elements Rs and Cs on the electrical properties of the ferroelectric structures was studied. In this stage, different configurations were built, keeping constant the total thickness of the ferroelectric (F) and of the intermediate layer (I): STO / SRO / F / I; STO / SRO / I / F; STO / SRO / F / I / F. The structural changes according to the configuration as well as the electrical characteristics according to the intermediate layer and configuration were analyzed. At the end of the report, the correlations between the structure and the electrical properties are presented, as well as some theoretical approaches regarding the role of the non-ferroelectric element on the polarization reversal characteristics and obtaining a negative capacitance regime.

The third stage (January-August 2022):

In the third stage of the project, structures of the PZT/intermediate layer/PZT type were mainly studied to evaluate the possibility of obtaining multiple polarization states. For these structures, the possibility of inducing a negative capacity regime during the atypical reversal of polarization or the possibility of having a stabilized negative capacity for certain polarization states was analyzed. As material for the intermediate layer were used: BaTiO3 (BT), SrTiO3 (STO), BaSrTiO3 (Sr/Ti=40/60) and SrTiO3 doped with Nb 0.7% (STON). The structural properties as well as the electrical characteristics were analyzed depending on the intermediate layer. A second study was carried out on more complex FE/I/S multilayer structures where BST was chosen as an insulator (I) and STON was chosen as a semiconductor (S). The electrical properties of this structure were analyzed in comparison with the FE/I or FE/S structures analyzed in the previous stages, but also with the dielectric characteristics of the classic metal-oxide-semiconductor (MOS) structures. At the end of the report, the correlations between the structure and the electrical properties are presented, as well as some hypotheses and interpretations related to the possibility of stabilizing a static NC regime for certain polarization states - by obtaining a higher dielectric capacity compared to that of the constituent layers or that attributed to the connection series between layers. The connection between different polarization reversal regimes and the possibility of energy storage in PZT/BT/PZT structures with step switching was also analyzed

  • Scientific publications:

Negative capacitance in epitaxial ferroelectric capacitors evidenced by dynamic dielectric characterization, Georgia-Andra Boni, Cristina Chirila, Lucian-Dragos Filip, Ioana Pintilie, Lucian Pintilie, Materials Today Communications, Volume 26, March 2021, 102076, https://doi.org/10.1016/j.mtcomm.2021.102076

Negative-capacitance and switching dynamics control via non-ferroelectric elements, Georgia A. Boni, Roxana Patru, Lucian D. Filip, Cristina Chirila, Iuliana Pasuk, Ioana Pintilie, Lucian Pintilie, ACS Appl. Energy Mater. 2022, 5, 3, 3307–3318, https://doi.org/10.1021/acsaem.1c03890.

 

  • Conferences:

1.  Poster: Ferroelectric-based multilayered thin films structures for multi-bit memory and memcomputing, Materials Challenges for Memory April 11-13, 2021 | Virtual Conference sponsored by APL Materials.
2. Poster: The study of polarization switching and negative capacitance regime in epitaxial ferroelectric thin films structures, IEEE ISAF 2021, Virtual Conference 16-21 may 2021

 

 

 


PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE


Back to top

Copyright © 2022 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved