음의 정전용량 전계효과 트랜지스터 기반 인버터 회로의 과도 응답 분석 - 이동근 (The Graduate School, Ajou University, 2023)
본 논문에서는 technology computer-aided design (TCAD) 시뮬레이션을 활용하여 강유전체의 동적(dynamic) 특성이 음의 정전용량 전계효과 트랜지스터(negative capacitance field-effect transistor: NCFET) 기반 인버터 회로의 과도 응답(transient response)에 미치는 영향을 분석하였다. 반도체 집적 회로(integrated circuit)의 전력 소모 문제가 점차 중요해지는 가운데, NCFET 기반 회로는 낮은 구동전압(VDD)에서 우수한 on/off 스위칭이 가능하다는 점에서 많은 각광을 받고 있다. 이는 NCFET이 강유전체의 NC 특성을 활용해 상온에서 60 mV/decade 이하의 문턱전압 이하 기울기의 역수(subthreshold swing: SS)를 가질 수 있기 때문이다. 하지만, 강유전체는 인가 전압에 대한 응답 시간(response time)이 있어, 특정 속도 이상에서는 NC 특성을 구현할 수 없는 dynamic 특성을 가진다. 뿐만 아니라, 현재 가장 많이 활용되는 하프늄 옥사이드(hafnium oxide: HfO2) 계열의 강유전체는 ns 이상의 속도에서 NC 특성을 구현할 수 없다는 내용이 발표되었다. 이러한 특성에도 불구하고, 대부분의 NCFET-기반 회로 연구는 강유전체의 정적(static) 특성을 기반으로 진행되었다. 따라서 본 연구에서는 강유전체의 dynamic 특성을 모델링한 내부 저항(internal resistivity: ρ) 파라미터에 변화를 주면서 NCFET 기반 인버터의 transient response를 분석하였다. 연구 결과, ρ가 증가하여 강유전체의 응답 속도가 느려짐에 따라 NCFET 기반 인버터의 transient response의 지연 시간(delay time)이 증가하였다. 이는 transient response 과정에서 강유전체의 분극 반전(polarization switching)이 점차 느려져 NC 특성이 열화되기 때문이다. 본 연구를 통해, NCFET 기반 회로의 고속 동작의 한계와 강유전체의 dynamic 특성 개선의 중요성을 보여주고자 한다.
학위논문(석사)--아주대학교 일반대학원 :전자공학과,2023. 2
Keywords: CMOS inverter; NCFET; transient response