Сегнетоэлектрические полевые транзисторы на основе одностенных углеродных нанотрубок с преобладанием микронных полосок с рисунком и слоем контроля дефектов HfO2

Аннотация

Сегнетоэлектрические полевые транзисторы (FeFET) с однослойными углеродными нанотрубками (ОСУНТ) с преобладающей полосой шириной в микрон, выполненной в виде канала, (Bi, Nd) ₄ Ti ₃ О ₁₂ пленки как изолятор, и HfO ₂ были разработаны и изготовлены пленки в качестве дефектного слоя. Подготовленные полевые транзисторы SWCNT-FeFET обладают превосходными свойствами, такими как большая проводимость канала, высокий коэффициент включения / выключения, высокая подвижность несущих каналов, высокая усталостная выносливость и сохранение данных. Несмотря на свою тонкую эквивалентную толщину емкости, изолятор затвора с HfO ₂ Слой контроля дефектов показывает низкую плотность тока утечки 3,1 × 10 ⁻⁹ А / см ² при напряжении на затворе - 3 В.

Фон

Сегнетоэлектрический полевой транзистор (FeFET) является многообещающим кандидатом для устройств энергонезависимой памяти и интегральных схем из-за его высокой скорости, одноэлементной структуры, низкого энергопотребления и операции неразрушающего считывания [1,2,3]. (Bi, Nd) ₄ Ti ₃ О ₁₂ (BNT) - это тонкая сегнетоэлектрическая пленка, не содержащая свинца, со стабильными химическими свойствами и усталостной прочностью. Таким образом, FeFET, использующий BNT в качестве диэлектрика затвора, будет иметь меньшее пороговое напряжение, большую проводимость канала и так далее. Углеродные нанотрубки (УНТ) широко применяются в FeFET из-за его высокой проводимости и большой подвижности носителей [4,5,6,7]. Хорошо известно, что на поверхности идеальных УНТ отсутствуют оборванные связи, что приводит к небольшой межфазной реакции между сегнетоэлектрической пленкой и УНТ [8, 9]. Однако в эксперименте добиться единичного роста УНТ между электродами истока и стока очень сложно. Кроме того, отношение тока включения / выключения сетки из нанопроволок УНТ FeFET обычно невелико из-за примеси металлических нанотрубок в сетке УНТ [7, 10]. Song et al. было предложено использовать многослойные УНТ с полосами шириной в микрон с рисунком в качестве материала каналов FeFET для решения вышеупомянутых проблем, но характеристики усталостной выносливости и сохранение физических характеристик CNT FeFET не ясны [9]. По сравнению с многослойными УНТ (MWCNT), однослойные CNT (SWCNT) представляют собой бесшовно обернутый одиночный лист графена, сформированный в цилиндрическую трубку [11]. Более того, существуют некоторые дефекты (такие как ионные примеси, кислородные вакансии и дислокации), которые трудно контролировать во время изготовления тонкой сегнетоэлектрической пленки [12,13,14]. Распространение этих дефектов может повлиять на коэффициент включения / выключения, характеристики усталостной выносливости и срок хранения данных [15, 16]. Поэтому мы имплантируем HfO ₂ слой в SWCNT-FeFET, который используется для блокировки диффузии точечных дефектов и может использоваться в качестве буферного слоя для устранения несоответствия между BNT и Si и, следовательно, для уменьшения плотности дислокаций в пленке BNT. Он может контролировать дефекты в SWCNT-FeFET, а затем значительно улучшать коэффициент включения / выключения, усталостные характеристики и сохранение данных.

В этом исследовании мы изготовили ОУНТ с регулярными и выровненными полосами шириной в микрон в качестве канального слоя, пленки BNT в качестве изолятора и HfO ₂ пленки в качестве слоя контроля дефектов для изготовления FeFET с нижним затвором и, как ожидается, обеспечат хорошее соотношение тока включения / выключения, усталостные характеристики и сохранение данных. Структура SWCNT-FeFET и процедура его приготовления показаны на рис. 1а, б. Кроме того, мы также изготовили MWCNT-FeFET для сравнения.

Методы

В устройствах с FeFET в качестве канала используется полосатая структура SWCNT шириной в микрон, тонкая пленка BNT используется в качестве диэлектрика затвора, HfO ₂ пленки используются в качестве слоя контроля дефектов, а сильно легированный Si n-типа используется одновременно в качестве подложки и электрода заднего затвора FeFET. Удельное сопротивление Si n-типа составляет 0,0015 Ом · см. HfO ₂ был нанесен на подложку Si методом импульсного лазерного осаждения (PLD) с использованием эксимерного KrF-лазера с длиной волны 248 нм, а его толщина составляет около 20 нм. Пленка BNT была нанесена на подложку Si методом ИЛО, как описано в ранней работе [17], и ее толщина составляет около 300 нм. Оригинальные SWCNT с дуговым разрядом были приобретены в Институте органической химии Чэнду (Китайская академия наук); длина и диаметр составляют 10–30 мкм и 0,8–1,1 нм соответственно. Его чистота составляет 85%, что означает преобладание SWCNT. ОУНТ были изготовлены с использованием самосборки, вызванной испарением. Концентрация ОУНТ / водная дисперсия составляла 100 мг / л, скорость испарения варьировалась в диапазоне 9–21 мкл / мин, температура - 80 ° C. Контролируя температуру испарения растворителя, на границе раздела твердое тело-жидкость-пар на BNT / HfO ₂ формировался четко определенный узор из полос. / Si подложка. Затем Pt электроды истока / стока были нанесены на ОСУНТ / БНТ ионно-лучевым распылением с использованием маскирующей пластины. Общая площадь металлической пластины маски составляет 1 см ² . , а площади истока и стока равны 4,5 мм ² . Длина канала ( L ) и шириной ( W ) FeFET составляют 200 и 1500 мкм соответственно. Изготовленный SWCNT-FeFET с последующим отжигом при 500 ° C в течение 2 часов для улучшения контакта между электродами истока / стока и SWCNT. Как сообщается, сетка УНТ содержит как металлические, так и полупроводниковые нанотрубки. Сеть УНТ обрабатывалась путем приложения большого напряжения на затворе. Металлические нанотрубки ОСУНТ были практически удалены, а полупроводниковые нанотрубки ОСУНТ оставались под действием тока нагрузки [18]. Для сравнения:SWCNT / SiO ₂ -FET были изготовлены по той же технологии и в тех же условиях; MWCNTs / BNT-FET также были изготовлены способом, описанным в ранней работе [9]. Характеристики FeFET измеряли с помощью анализатора параметров Keithley 4200. Петли гистерезиса и поляризации FeFET были измерены с помощью сегнетоэлектрического анализатора RT Precision Workstation.

Результаты и обсуждение

На рисунке 2 показаны типичные SEM-изображения полосатых ОУНТ с рисунком. Правильные и выровненные ОУНТ с полосами шириной в микрон показаны на рис. 2а. Выпуклые и светлые полосы представляют собой полосы из ОСУНТ, в которых ОСУНТ плотно упакованы, как показано на увеличенном изображении полосы на рис. 2b. Утопленные и серые полосы соответствуют оголенным BNT / HfO ₂ Подложка / Si в промежутках между полосами ОУНТ микронной ширины. Концентрация раствора прекурсора ОСУНТ увеличивается при испарении, а ширина градиентных полос незначительно увеличивается при понижении уровня жидкости ОСУНТ / вода. BNT / HfO ₂ пленки и пленки BNT на подложке Si показаны на рис. 2в, г. Видно, что поверхность BNT / HfO ₂ Пленка состоит из множества кристаллических зерен и пор, что указывает на большую шероховатость, чем у пленок BNT. На рисунке 2e показан P - V петли гистерезиса BNT и BNT / HfO ₂ фильмы соответственно. Поляризации петель гистерезиса BNT / HfO ₂ пленки больше, чем пленки BNT при том же напряжении. Хотя HfO ₂ слой разделяет часть напряжения BNT / HfO ₂ пленка BNT по-прежнему показывает лучшую величину поляризации, чем BNT, выращенный на подложке Si. Это связано с тем, что пленки БНТ, выращенные на HfO ₂ слой имеет более низкую концентрацию диффузионных дефектов, чем у пленок BNT, выращенных непосредственно на подложке Si.

На рисунке 3 показаны выходные характеристики ( I _DS -V _DS ) кривые SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET и SWCNT / BNT-FeFET. SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET и SWCNT / BNT-FeFET показывают типичное значение p -канальные характеристики транзистора и насыщенные токи исток-сток при низком напряжении исток-сток. Длина их канала ( L ) составляет 200 мкм. Из-за того, что SWCNT имеет полосатый рисунок шириной в один микрон, ток включения и проводимость канала SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET и SWCNT / BNT-FeFET оба достигают 3,8 × 10 ^-2 A, 3,6 × 10 ⁻² A и 9,5 × 10 ⁻³ S, 9 × 10 ⁻³ S в V _GS =- 4 В и В _DS =4 В. Однако SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET показывает более низкие токи в закрытом состоянии, чем у SWCNT / BNT-FeFET, а SWCNT / BNT-FeFET демонстрирует серьезное явление тока утечки при V _GS =0 В _. Это потому, что HfO ₂ слой эффективно блокирует распространение дефектов.

Передаточные характеристики ( I _D - V _G ) SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET и SWCNT / BNT-FeFET с L =200 мкм и V _DS =0,6 В представлены на рис. 4. Пороговое напряжение ( В _th ) из SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET и SWCNT / BNT-FeFET - это V _th =0,2 В и В _th =0,8 В путем линейной подгонки ( I _Д ) ^1/2 vs V _GS кривая транзистора, работающего в области насыщения. Подвижность канала ( μ _сб ) рассчитывается на основе ( I _DS ) ^1/2 vs V _GS кривой, а также выражение области насыщения для полевого транзистора [19],

$$ {I} _ {\ mathrm {DS}} =\ left (\ frac {\ varepsilon_0 {\ varepsilon} _r {\ mu} _ {\ mathrm {sat}} W} {t _ {\ mathrm {ins}} 2L} \ right) {\ left ({V} _ {\ mathrm {GS}} \ hbox {-} {V} _ {\ mathrm {th}} \ right)} ^ 2 для \ kern0.5em {V_ { \ mathrm {DS}}} ^ {{} ^ 3} {V} _ {\ mathrm {GS}} \ hbox {-} {V} _ {\ mathrm {th}}, $$

где ε _r - относительная диэлектрическая проницаемость, а t _ins - толщина БНТ. Относительная диэлектрическая проницаемость ( ε _r ) пленки BNT составляет 350, что измерено на частоте 1 МГц анализатором параметров HP4156. μ _сб из SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET и SWCNT / BNT-FeFET - 395 и 300 см ² /Против. На рисунке 5 показан I _DS - V _GS кривые логарифмического переноса изготовленных SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET, SWCNT / BNT-FeFET и SWCNT / SiO ₂ / HfO ₂ -FET в режиме двойной развертки. Развертка напряжения затвора выполнялась при V _DS 0,6 В и на V _GS варьируется от - От 7 до 4 В, - От 6 до 3 В и - 4 к 1 В. Я _DS соотношение включения / выключения SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET, SWCNT / BNT-FeFET и SWCNT / SiO ₂ / HfO ₂ -FET - 2 × 10 ⁵ , 2 × 10 ⁴ , и 2.3 × 10 ² на V _GS диапазон от - С 7 по 4 В. Я _DS отношения включения / выключения SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET выше, чем у MWCNT / BNT-FeFET [9] и SWCNT / BNT-FeFET. Это потому, что HfO ₂ Слой контроля дефектов был имплантирован в SWCNT-FeFET, который эффективно блокирует диффузию дефектов. Для я _DS - V _GS характеристик, мы получили петлю гистерезиса по часовой стрелке из-за сегнетоэлектрической инверсии поляризации пленки BNT, полученная ширина окна памяти (MW) SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET и SWCNT / BNT-FeFET имеют напряжение около 4,2 и 4,1 В, что больше, чем у CNT / PZT-FeFET (1,1 В) с сеткой CNT в качестве канального слоя [20]. Большая молекулярная масса указывает на хорошую диэлектрическую связь в этой системе FeFET. На рис. 4в мы можем видеть полученную ширину окна ОСУНТ / SiO ₂ / HfO ₂ -FET составляет около 1 В, что в основном вызвано плотностью дефектов ОСУНТ [21]. Эти результаты предполагают, что гистерезис окна памяти (4,2 В) сегнетоэлектрического FeFET обусловлен поляризацией BNT и плотностью дефектов SWCNT.

На рисунке 6а показаны вольт-амперные характеристики утечки BNT / HfO ₂. и пленка БНТ. Как видно, токи утечки составляют 1,2 × 10 ⁻⁹ A и 1,5 × 10 ⁻⁸ A для BNT / HfO ₂ и пленка BNT соответственно, когда напряжение достигает - 3 В. Вольт-амперные характеристики утечки BNT / HfO ₂ и пленка BNT были изучены для сравнения путем установки I - V данные. Характеристики тока утечки контакта Шоттки были представлены как Ln ( J ) = b ( V + V _би ^* ) ^1/4 [9, 22, 23], и соответствующие графики для BNT / HfO ₂ и пленки BNT в диапазоне напряжений от 0 до 3,8 В показаны на рис. 6б. Встроенные напряжения В _би ^* и уклон b в формуле можно получить, подобрав эксперимент I-V данные. Расчетные плотности объемного заряда N _eff , состоящих из глубоких центров захвата и кислородных вакансий [22], составляют примерно 2,132 × 10 ¹⁷ см ⁻³ и 1,438 × 10 ¹⁹ см ⁻³ для BNT / HfO ₂ и пленка БНТ соответственно. Показано, что пленки BNT, нанесенные на подложку Si, являются полупроводниками n-типа согласно формуле высот межфазных барьеров [24]. Это согласуется с эффектом HfO ₂ по уменьшению тока отключения I _D - V _G кривая на рис. 4a, b, поскольку BNT n-типа генерируют электроны, увеличивая ток покоя при отрицательном напряжении. Проводимость пленки BNT демонстрирует управляемый объемным механизмом, который также подразумевает, что BNT n-типа в основном индуцируется проводящими дефектами или примесями [9, 22].

На рисунке 6c показаны характеристики усталостной выносливости SWCNT / BNT / HfO ₂. -FeFET, SWCNT / BNT-FeFET и MWCNT / BNT-FeFET с биполярным импульсом 100 кГц при V _GS диапазон от - От 7 до 4 В. Усталостная выносливость FeFET проявляется в потере переключаемой поляризации при повторяющихся циклах переключения. Значение энергонезависимой поляризации ( P _nv ) получается уравнением P _nv = P _r ^* - P _r ^{^} а затем нормализовать с помощью P _nv / P _r0 ^* [25], где P _r ^* - дважды остаточная поляризация FeFET, P _r ^{^} - потеря поляризации после следующего импульса, а P _r0 ^* - двукратная начальная остаточная поляризация FeFET. Частичная потеря нормированного P _nv через 10 ¹¹ Циклы переключения чтения / записи наблюдаются для FeFET, которые составляют примерно 3, 10 и 25% для SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET, SWCNT / BNT-FeFET и MWCNT / BNT-FeFET соответственно. Когда BNT растет непосредственно на нижнем электроде Si, усталостные характеристики SWCNT / BNT-FeFET очень плохи из-за диффузии между BNT и подложкой Si через границу зерен [12,13,14]. Эти результаты предполагают, что HfO ₂ слой эффективно блокирует диффузию Si-подложки и уменьшает количество ионных примесей, что приводит к отличным характеристикам усталостной выносливости.

Чтобы оценить надежность устройства FeFET по отношению к приложению NVRAM, мы исследовали сохранение данных. На рисунке 7 показаны кривые сохранения тока сток-исток для SWCNT / BNT / HfO ₂. -FeFET, SWCNT / BNT-FeFET и MWCNT / BNT-FeFET при комнатной температуре. Импульс напряжения В _GS =- 4 В и В _GS =1 В при В _DS =1 В подается на электроды затвора и истока-стока, переключая напряжение FeFET в выключенное или включенное состояние, соответственно. Измеренные отношения тока в открытом / закрытом состоянии составляют примерно 3 × 10 ⁴ . , 7 × 10 ³ , и 6 × 10 ² для SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET, SWCNT / BNT-FeFET и MWCNT / BNT-FeFET через 10 ⁶ s соответственно. Отсутствует значительная потеря коэффициента текущей ликвидности (3,2%) после времени удерживания 1 × 10 ⁶ s для SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET. Экстраполируя кривые на 10 ⁸ s для SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET, SWCNT / BNT-FeFET и MWCNT / BNT-FeFET, соотношение тока в открытом / закрытом состоянии составляет почти 1,9 × 10 ⁴ , 3 × 10 ³ , и 2 × 10 ² , соответственно. Отношение включенного / выключенного состояния SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET все еще достаточно высок для функции памяти, демонстрируя желаемое свойство удержания настоящего устройства памяти. На удержание влияет ток утечки затвора [26, 27]. Длительное время удерживания указывает на HfO ₂ Слой управления дефектами может эффективно снизить ток в закрытом состоянии и ток утечки затвора, что стабилизирует соотношение тока включения / выключения. Кроме того, мы также провели сравнение полевых транзисторов на основе сегнетоэлектрика и различных УНТ в таблице 1, предполагая, что изготовленные SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET в этом исследовании может обеспечить высокий коэффициент включения / выключения, отличные показатели усталостной выносливости и сохранение данных.

Чтобы лучше понять, как дефекты влияют на физические характеристики устройства, P - E петли гистерезиса и I _DS - V _GS кривая для SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET и SWCNT / BNT-FeFET моделировались с учетом асимметричного заряда, вызванного дефектами, с использованием наших предыдущих моделей [12, 28]. Асимметричный заряд, вызванный дефектами, считается имитирующим P - E петли гистерезиса и I _DS - V _GS кривая BNT, и считается, что симметричный заряд имитирует заряд BNT / HfO ₂ . Результаты моделирования представлены на рис. 8а, б, которые аналогичны экспериментальным результатам на рис. 2д и 5а, б соответственно. Результаты моделирования показывают HfO ₂ слой эффективно уменьшает асимметричные заряды сегнетоэлектрических пленок, вызванные дефектами, что еще больше увеличивает ток в закрытом состоянии. Таким образом, можно продемонстрировать, что дефекты тонкой сегнетоэлектрической пленки эффективно контролировались HfO ₂ слой контроля дефектов.

Выводы

Таким образом, эффект HfO ₂ материалы в качестве слоя контроля дефектов на отношение тока включения / выключения, характеристики усталостной выносливости и сохранение данных SWCNT / BNT-FeFET были исследованы, в которых дефекты сегнетоэлектрической тонкой пленки контролируются HfO ₂ как слой контроля дефектов. Из-за тонкого слоя контроля дефектов HfO ₂ , изготовленные SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET показывает низкий ток утечки 1,2 × 10 ⁻⁹ Когда напряжение достигает -3 В, большое отношение тока включения / выключения составляет 2 × 10 ⁵ , a V _th 0,2 В и μ 395 см ² /Против. Более того, SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET показал отличные характеристики усталостной выносливости и хорошее сохранение данных, которые приписываются тонкому HfO ₂ слой контроля дефектов. Петли гистерезиса P - E и я _DS - V _GS кривая для SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET и SWCNT / BNT-FeFET были смоделированы, чтобы понять, как дефекты влияют на физические характеристики устройства. Результаты моделирования дополнительно продемонстрировали, что асимметричный заряд может быть уменьшен в SWCNT / BNT / HfO ₂ -FeFET от HfO ₂ для контроля дефектов.

Сокращения

BNT:: (Bi, Nd) ₄ Ti ₃ О ₁₂
FeFET:: Сегнетоэлектрические полевые транзисторы
MWCNT:: Многослойная УНТ
PLD:: Импульсное лазерное напыление
SWCNT:: Одностенные углеродные нанотрубки

Перовскитовые светодиоды высокой яркости с высокополярным спиртовым растворителем, использующие PEDOT:PSS как с… Оптимизация солнечных элементов с решеткой с нановолоконным GaAs с использованием гетеропереходов AlGaAs / GaAs

Наноматериалы