SWCNT-ФеФЕТ с контролем дефектов HfO₂ достигают рекордных коэффициентов открытости/закрытости, выносливости и удержания

Аннотация

Спроектированы ферроэлектрические полевые транзисторы (FeFET), использующие полосы одностенных углеродных нанотрубок (SWCNT) как канал, ферроэлектрическую пленку (Bi,Nd)₄Ti₃O₁₂ (BNT) как затворной диэлектрик и тонкий слой HfO₂ как буферный слой контроля дефектов. Полученные приборы демонстрируют высокую канальную проводимость, коэффициент открытости/закрытости превышающий 2×10⁵, подвижность носителей 395 см²/В·с и надежную устойчивость к утомлению и удержанию данных. Несмотря на очень тонкий эффективный затворной конденсатор, слой HfO₂ ограничивает затворной ток утечки до 3,1×10⁻⁹ А·см⁻² при −3 В.

Введение

FeFET перспективны для невидимой памяти и низкоэнергопотребляющей логики, сочетая высокую скорость, простую одноэлементную структуру и неразрушающее чтение. BNT — безсвинцовый ферроэлектрик с отличной химической стабильностью и устойчивостью к утомлению, делая его привлекательным затворным диэлектриком, способным снизить пороговое напряжение и повысить канальную проводимость. Углеродные нанотрубки (CNT) широко применяются в FeFET благодаря превосходной проводимости и подвижности. Идеальные CNT не имеют висячих связей, минимизируя интерфейсные реакции с ферроэлектрической пленкой. Однако фabricация одиночной CNT между стоком и истоком экспериментально сложна, а CNT сети часто содержат металлические трубки, снижающие коэффициент открытости/закрытости. Предыдущие работы использовали многостенные CNT (MWCNT) полосы для преодоления этих проблем, но утомление и удержание таких приборов остаются неясными. SWCNT, являющиеся бесшовными однослойными графеновыми трубками, предлагают более высокое качество и меньше дефектов, чем MWCNT. Дефекты вроде ионных примесей, кислородных вакансий и дилокаций в ферроэлектрической пленке могут диффундировать и деградировать характеристики приборов. Тонкий слой HfO₂ может блокировать диффузию дефектов, выступать буфером решеточного согласования между BNT и Si, снижая плотность дилокаций в BNT пленке, что улучшает коэффициент открытости/закрытости, устойчивость к утомлению и удержание.

Методы

FeFET фabricовали на сильно легированном n-типе Si (ρ = 0,0015 Ом·см) как заднем затворе. 20 нм HfO₂ осаждали пульсированной лазерной осадкой (PLD) с KrF эксимерным лазером (248 нм). 300 нм BNT пленку затем наращивали PLD как описано ранее. SWCNT (длина 10–30 мкм, диаметр 0,8–1,1 нм, 85% чистоты) собирали методом испарения-индуцированной самоорганизации: 100 мг/л водная дисперсия SWCNT испаряли при 80 °C со скоростью 9–21 мкл/мин, формируя микрон-широкие полосы на BNT/HfO₂/Si подложке. Pt сток/исток электроды (4,5 мм² каждый) осаждали ионно-лучевой депонированием через маску 1 см². Длина и ширина канала составляли 200 мкм и 1500 мкм соответственно. Последующий отжиг 500 °C 2 ч улучшал контакт электрод-CNT. Металлические SWCNT селективно удаляли высоковольтным затворным импульсом, оставляя полупроводниковую сеть. Для сравнения фabricовали SWCNT/SiO₂-FET и MWCNT/BNT-FeFET при тех же условиях. Электрическая характеристика использовала параметрический анализатор Keithley 4200; ферроэлектрическую гистерезис измеряли на RT Precision Workstation анализаторе.

Результаты и обсуждение

Рис. 1a показывает полосато-паттернированную SWCNT сеть; полосы выглядят как яркие густоупакованные гребни, тогда как нижележащий BNT/HfO₂/Si подложка видна как более темные впалые области. РЭМ-изображения (рис. 1b-d) подтверждают кристаллическую, пористую BNT/HfO₂ поверхность по сравнению с более гладким BNT. Гистерезисные петли (рис. 1e) показывают, что BNT/HfO₂ пленки демонстрируют более высокую поляризацию, чем BNT в одиночку, указывая на сниженную диффузию дефектов при росте на HfO₂.

Вольт-амперные характеристики (рис. 2) демонстрируют типичное p-канальное поведение. Оба SWCNT/BNT/HfO₂-FeFET и SWCNT/BNT-FeFET достигают насыщенного стоково-источного тока 3,8×10⁻² А и проводимости 9,5×10⁻³ С при VGS = −4 В, VDS = 4 В. Однако HfO₂-основанный прибор показывает заметно более низкий выключенный ток и пренебрежимую утечку при VGS = 0 В, подтверждая эффективную блокировку дефектов.

Передаточные характеристики (рис. 3) дают пороговые напряжения 0,2 В (HfO₂) и 0,8 В (без HfO₂) и подвижности 395 см²/В·с и 300 см²/В·с соответственно. Логарифмические передаточные графики (рис. 4) дают коэффициенты открытости/закрытости 2×10⁵, 2×10⁴ и 2,3×10² для SWCNT/BNT/HfO₂-FeFET, SWCNT/BNT-FeFET и SWCNT/SiO₂/HfO₂-FET соответственно. Слой HfO₂ таким образом значительно улучшает коэффициент открытости/закрытости за счет подавления дефект-драйвированной утечки.

Ширины окна памяти, измеренные из IDS–VGS гистерезиса, составляют 4,2 В (HfO₂) и 4,1 В (без HfO₂), далеко превышая 1,1 В в CNT/PZT-FeFET, указывая на сильную ферроэлектрическую связность. Изучение удержания (рис. 5) показывает, что SWCNT/BNT/HfO₂-FeFET сохраняет коэффициент открытости/закрытости 3×10⁴ после 10⁶ с с деградацией всего 3,2%, экстраполяция предсказывает коэффициент 1,9×10⁴ после 10⁸ с. В отличие, приборы без HfO₂ удерживают только 3×10³ (SWCNT/BNT) и 2×10² (MWCNT/BNT). Измерения тока утечки (рис. 6) подтверждают, что BNT/HfO₂ пленки имеют на порядок более низкую утечку (1,2×10⁻⁹ А) чем BNT в одиночку (1,5×10⁻⁸ А) при −3 В, в согласии с сниженной плотностью пространственного заряда (2,1×10¹⁷ см⁻³ против 1,4×10¹⁹ см⁻³).

Устойчивость к утомлению (рис. 7) показывает потерю 3% после 10¹¹ циклов для HfO₂ прибора, по сравнению с 10% и 25% для SWCNT/BNT-FeFET и MWCNT/BNT-FeFET соответственно. Тонкий HfO₂ буфер эффективно блокирует Si диффузию и ионные примеси, сохраняя ферроэлектрическую поляризацию.

Моделирование (рис. 8) P–E гистерезиса и IDS–VGS кривых с использованием асимметричных зарядовых моделей подтверждает, что слой HfO₂ снижает дефект-индуцированную асимметрию, понижает выключенный ток и повышает стабильность прибора.

Заключение

Интеграция тонкого HfO₂ слоя контроля дефектов в SWCNT-BNT FeFET дает низкую утечку (1,2×10⁻⁹ А при −3 В), высокий коэффициент открытости/закрытости (2×10⁵) и высокую подвижность (395 см²/В·с). Прибор демонстрирует отличную устойчивость к утомлению (3% потеря после 10¹¹ циклов) и надежное удержание данных (коэффициент открытости/закрытости > 1,9×10⁴ после 10⁸ с). Эти улучшения обусловлены подавлением дефектов и решеточным согласованием, предоставляемым HfO₂, как подтверждено измерениями и моделированием.