Development of an ultralow power multifunctional transistor utilizing charge plasma

Abstract

The ultralow power switching devices are crucial in newly emerging technologies such as mobile electronics, wearable electronics, or internet of things. For the applications, low supply bias and low leakage current would be essential features, since those applications favor extended duration of operation under the limited battery performance and life time. To realize such characteristics, large bandgap semiconductors such as the oxide semiconductors would be desirable since they have much small intrinsic charge carrier density, which is the origin of thermionic or junction leakage currents. However, they have serious issues in doping, especially for p-type doping, due to the self-compensation effect in their ionic bonds preventing wide applications for complementary circuit. These facts have become a core motivation for the study in the thesis, which aims to develop an ultralow power electronic device through a physical method rather than depending solely on the material properties. In the thesis, a pseudo-amplified band structure device is demonstrated, realizing a leakage current of ~5×10-16 A μm-1 and a power range of 1 fW μm-1 – 1 pW μm-1 at a supply voltage of 0.1 V, maintaining an on/off current ratio larger than 103. Such ultralow power characteristics originate from the charge plasma heterojunction, between an atomically thin two-dimensional thin-film and a heavily p-type doped silicon, emulating a wide bandgap semiconductor. In addition, unlike conventional devices, transfer characteristics of the device are not only highly correlated with the gate field but related to the supply bias. This enables numerously diverse transfer characteristics under many combinations of the external biases while maintaining the ultralow leakage. The ultralow power multifunctional transistor would pave a way for complementary circuit operating in the ultralow power domain, by significantly reducing supply voltage and leakage current, and allowing integrated circuits to be designed with fewer transistors.|초저전력 스위칭 장치들은 모바일 전자 기기, 웨어러블 (wearable) 전자 기기, 또는 사물인터넷과 같은 신흥 기술에서 매우 중요하다. 이러한 애플리케이션들에서는, 제한된 배터리 성능과 수명 조건 하에 장치의 작동 시간을 연장하는 것이 필요하기 때문에, 낮은 공급 전압과 낮은 누설 전류가 필수적인 기능일 것이다. 그러한 특성들을 구현하기 위해서, 산화물 반도체와 같이 밴드갭이 큰 반도체 소재들을 이용하는 것이 열이온 또는 접합 누설 전류 (thermionic or junction leakage current)의 원인이 되는 고유 전하 캐리어 밀도 (intrinsic charge carrier density)를 감소시킬 수 있기 때문에 바람직할 수 있다. 그러나, 산화물 반도체 소재들은 이온 결합의 자체 보상 효과로 인해 p형 도핑에 심각한 문제가 있어, 상보성 회로 (complementary circuit)로의 광범위한 적용에 어려움이 있다. 이러한 현실은 소재의 특성에 전적으로 의존하는 것이 아니라, 물리적인 방법을 통해 초저전력 전자 소자를 개발 하고자 하는 본 연구의 핵심적인 동기가 되었다. 본 학위논문에서는, ~5×10-16 A μm-1의 누설 전류와, 0.1 V의 공급 전압에서 103 보다 큰 온/오프 전류 비율을 유지하면서 1fW μm-1 – 1pW μm-1의 전력 범위를 구현하는 의사 증폭된 밴드 구조의 소자 (pseudo-amplified band structure device)를 제시한다. 이러한 초저전력 특성은 와이드 밴드갭 반도체를 모방하는 원자적으로 얇은 2차원 박막과, 강하게 p형으로 도핑된 실리콘 간의 전하 플라즈마 (charge plasma) 이종접합에서 비롯되었다. 또한, 기존 소자들과는 달리 해당 소자의 전달 특성 (transfer characteristics)은 게이트 필드뿐만 아니라 공급 바이어스와도 매우 상관관계가 높다. 이는 매우 낮은 누설 전류를 유지하면서도 외부 바이어스의 수많은 조합 하에서 매우 다양한 전달 특성을 가능하게 해주었다. 본 학위논문의 초저전력 다기능 트랜지스터는 공급 전압과 누설 전류를 크게 줄이고 집적 회로를 더 적은 수의 트랜지스터로 설계할 수 있게 함으로써, 초저전력 영역에서 작동하는 상보성 회로를 위한 길을 열 수 있을 것이다.