Properties of Low Operating Voltage MFS Devices Using Ferroelectric $LiNbO_3$ Film

$LiNbO_3$ 강유전체 박막을 이용한 저전압용 MFS 디바이스의 특징

Metal-ferroelectric-semiconductor devices by susing rapid thermal annealed $LiNbO_3/Si$(100) structures were fabricated and demonstrated nonvolatile memory operations. The estimated field-effect electron mobility and transconductance on a linear region of the fabricated FET were about $600cm^2/V{\cdot}s$ and 0.16mS/mm, respectively. The ID-VG characteristics of MFSFET's showed a hysteresis loop due to the ferroelectric nature of the $LiNbO_3 films. The drain current of the on state was more than 4 orders of magnitude larger than the off state current at the same read gate voltage of 0.5V, which means the memory operation of the MFSFET. A write voltage as low as ${\pm}3V$, which is applicable to low power integrated circuits, was used for polarization reversal. The ferroelectric capacitors showed no polarization degradation up to $10^{10}$ switching cycles with the application of symmetric bipolar voltage pulse (peak-to-peak 6V, 50% duty cycle) of 500kHz.

고온 열처리 시킨 $LiNbO_3/Si$(100) 구조를 이용한 MFS 디바이스를 제작하여 비휘발성 메모리 동작을 확인하였다. 제작한 트랜지스터의 선형영역에서 산출한 전계효과 이동도와 상호 컨덕턴스는 각각 약 $600cm^2/Vs$ 및 0.16mS/mm 이었다. 0.5V의 게이트 전압(즉, read 전압)에서 측정한 드레인 전류의 온/오프 비는 $10^4$배 이상이었다. 분극반전에 사용한 전압은 ${\pm}3V$ 이하로 매우 낮아 이는 저소비전력용 집적회로에 적용시키기에 기대가 된다. 세게 도핑시킨 반도체위에 제작한 MFS 커패시터는 500kHz의 바이폴라 전압펄스(peak-to-peak 6V, 50% duty cycle) 측정으로 $10^{10}$ cycle 까지도 분극의 열화현상이 없는 양호한 특성을 얻었다.