Manufaktur industri
Industri Internet of Things | bahan industri | Pemeliharaan dan Perbaikan Peralatan | Pemrograman industri |
home  MfgRobots >> Manufaktur industri >  >> Industrial materials >> bahan nano

Perilaku Pemrograman Bergantung Polaritas-Tegangan dari Memori Transistor Film Tipis In–Ga–Zn–O Amorf dengan Perangkap Muatan ZnO Terdeposit di Lapisan Atom Lapisan

Abstrak

Memori transistor film tipis (TFT) In–Ga–Zn-O (a-IGZO) amorf menarik banyak minat untuk aplikasi sistem-pada-panel di masa depan; namun, mereka biasanya menunjukkan efisiensi penghapusan yang buruk. Dalam artikel ini, kami menyelidiki perilaku pemrograman yang bergantung pada tegangan-polaritas dari memori TFT a-IGZO dengan lapisan perangkap muatan ZnO (CTL) yang disimpan di lapisan atom. Perangkat murni menunjukkan karakteristik yang dapat diprogram secara elektrik tidak hanya di bawah bias gerbang positif tetapi juga di bawah bias gerbang negatif. Secara khusus, yang terakhir dapat menghasilkan efisiensi pemrograman yang jauh lebih tinggi daripada yang pertama. Setelah menerapkan pulsa bias gerbang +13 V/1 s, perangkat menunjukkan pergeseran tegangan ambang (ΔVth ) dari 2 V; dan Vth sebesar 6,5 V untuk pulsa bias gerbang 13 V/1 s. Dalam hal pemrograman 12 V/1 ms (P) dan penghapusan 12 V/10 s (E), jendela memori sebesar 7,2 V dapat dicapai pada 10 3 siklus P/E. Dengan membandingkan ZnO CTL yang dianil dalam O2 atau N2 dengan yang diendapkan, disimpulkan bahwa kekosongan oksigen (VO ) terkait cacat mendominasi karakteristik pemrograman bipolar dari perangkat memori TFT. Untuk pemrograman pada tegangan gerbang positif, elektron disuntikkan dari saluran IGZO ke dalam lapisan ZnO dan lebih disukai terperangkap pada tingkat kekosongan oksigen terionisasi tunggal yang dalam (VO + ) dan kekosongan oksigen terionisasi ganda (VO 2+ ). Mengenai pemrograman pada tegangan gerbang negatif, elektron dilepaskan dengan mudah dari kekosongan oksigen netral karena donor dangkal dan terowongan kembali ke saluran. Dengan demikian, ini mengarah pada penghapusan yang sangat efisien dengan pembentukan kekosongan oksigen terionisasi tambahan dengan muatan positif.

Latar Belakang

Sebuah transistor film tipis (TFT) berdasarkan amorf indium-gallium-seng-oksida (a-IGZO) telah dipelajari secara ekstensif untuk aplikasi sistem elektronik yang fleksibel dan transparan [1,2,3,4,5,6,7 ,8,9,10,11,12]. Hal ini dikaitkan dengan beberapa sifat spesifik dari film a-IGZO seperti keseragaman yang baik, suhu pemrosesan yang rendah, transparansi cahaya tampak, dan mobilitas elektron yang tinggi [13]. Selain itu, memori nonvolatil a-IGZO TFT juga telah diusulkan, dan kemampuan penyimpanan data nonvolatilnya memperluas cakupan penggunaan perangkat TFT a-IGZO. Sebagai arsitektur khas perangkat memori nonvolatile, memori TFT a-IGZO floating-gated telah diselidiki secara intensif dalam beberapa tahun terakhir. Sampai sekarang, berbagai bahan telah dieksplorasi sebagai gerbang mengambang (yaitu, media penyimpanan muatan), seperti dielektrik [14, 15], nanokristal logam [16, 17], dan bahan semikonduktor [18,19,20,21] . Karena a-IGZO adalah semikonduktor tipe-n alami, dan inversi lubang hampir tidak direalisasikan dalam TFT a-IGZO di bawah bias gerbang negatif, oleh karena itu, memori TFT a-IGZO biasanya memiliki efisiensi penghapusan yang buruk. Dengan kata lain, sebagian besar memori TFT a-IGZO tidak dapat dihapus secara elektrik melalui injeksi lubang dari saluran [14,15,16]. Namun demikian, Zhang et al. [21] membuat memori TFT menggunakan a-IGZO sebagai lapisan penangkap muatan (CTL) dan lapisan saluran, yang menunjukkan karakteristik yang dapat diprogram dan dihapus secara elektrik, serta retensi data yang baik. Sementara itu, Yun dkk. juga menyelidiki karakteristik memori TFT a-IGZO dengan komposisi IGZO CTL yang berbeda, mengungkapkan jendela memori yang menurun dengan meningkatnya O2 tekanan parsial (PO2 ) selama deposisi sputtering dari CTL [18]. Selain itu, Bak et al. melaporkan kinerja memori TFT a-IGZO dengan berbagai konduktivitas ZnO CTL dan menyimpulkan bahwa sifat elektronik yang dioptimalkan dari struktur celah pita untuk ZnO CTL dapat menjadi salah satu faktor terpenting untuk mewujudkan memori TFT oksida yang sangat fungsional [20]. Meskipun memori TFT a-IGZO semikonduktor oksida yang disebutkan di atas menunjukkan kecepatan pemrograman/penghapusan listrik yang unggul, karakteristik pemrograman bipolar dari perangkat yang disebutkan di atas belum dilaporkan, dan proses penangkapan yang sesuai dari muatan yang berbeda dalam CTL semikonduktor oksida tidak dilaporkan. belum jelas, terutama untuk menjebak muatan positif.

Dalam karya ini, memori TFT a-IGZO bipolar yang dapat diprogram dibuat dengan menggunakan film ZnO yang diendapkan lapisan atom sebagai CTL. Dengan membandingkan karakteristik pemrograman bipolar dari perangkat memori TFT dengan as-deposited, O2 - atau N2 -anil ZnO CTL, proses penangkapan muatan yang berbeda di lapisan ZnO dibahas. Terungkap bahwa cacat terkait kekosongan oksigen mendominasi karakteristik pemrograman bipolar dari perangkat memori TFT a-IGZO.

Metode

Wafer Si (100) tipe-P dengan resistivitas 0,001-0,005 cm dibersihkan menggunakan proses pembersihan RCA standar dan digunakan sebagai gerbang belakang perangkat. Kemudian, 35-nm Al2 O3 dan film ZnO 20-nm diendapkan berturut-turut oleh deposisi lapisan atom (ALD) pada 250 ° C dan 200 ° C, yang masing-masing berfungsi sebagai lapisan pemblokiran dan CTL dari memori TFT. Perlu disebutkan bahwa film ZnO memiliki kekasaran root-mean-square (RMS) 0,553 nm. Selanjutnya, fotolitografi dan etsa basah dilakukan untuk menentukan CTL ZnO. Setelah itu, sebuah 8-nm Al2 O3 lapisan tunneling ditumbuhkan oleh ALD. Prekursor dietilseng (DEZ)/H2 O dan TMA/H2 O digunakan untuk pertumbuhan ZnO dan Al2 O3 film, masing-masing. Setelah itu, film a-IGZO 40 nm diendapkan dengan sputtering magnetron frekuensi radio sebagai lapisan saluran pada suhu kamar dengan menggunakan InGaZnO4 target. Saluran aktif dengan lebar (W)/panjang (L) 100/10 m kemudian ditentukan dengan fotolitografi dan etsa HCl encer. Kontak sumber dan saluran Ti/Au (30 nm/70 nm) dibentuk oleh penguapan e-beam diikuti dengan proses pengangkatan. Akhirnya, semua perangkat fabrikasi dianil pada 250 °C dalam O2 selama 5 menit untuk meningkatkan kinerjanya. Karakterisasi kelistrikan dilakukan dengan menggunakan semikonduktor parameter analyzer (Agilent B1500A) pada suhu kamar. Tegangan ambang (Vth ) didefinisikan sebagai tegangan gerbang di mana arus pembuangan sama dengan W/L×10 −9 A. Konsentrasi pembawa film ZnO diekstraksi dari pengukuran efek Hall (Ecopia HMS-3000) pada suhu kamar.

Hasil dan Diskusi

Gambar 1 menunjukkan diagram skema dari perangkat memori TFT a-IGZO yang dibuat di bawah pemrograman bias positif dan negatif, masing-masing. Selama pemrograman listrik, pulsa listrik diterapkan di gerbang belakang, dan elektroda sumber dan saluran diarde. Gambar 2 menunjukkan karakteristik pemrograman perangkat memori murni di bawah kondisi yang berbeda. Untuk perangkat memori murni, ini menunjukkan rasio arus hidup/mati (I pada /Aku nonaktif ) dari 1,5 × 10 7 , mobilitas efek medan 7,1 cm 2 V −1 s −1 , dan subthreshold swing (SS) 0,67 V/des. Dalam hal pemrograman 80 ms pada bias positif yang berbeda, I dV g kurva bergerak secara bertahap ke arah bias positif sebagai fungsi dari tegangan pemrograman, misalnya, Vth yang dihasilkan bergeser relatif terhadap perangkat asli (ΔVth ) meningkat dari 1,3 menjadi 4,8 V dengan meningkatnya tegangan pemrograman dari 8 menjadi 13 V, menunjukkan saturasi pemrograman pada 12 V, seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2a. Vth . yang begitu signifikan menunjukkan bahwa elektron yang cukup besar dari saluran a-IGZO tipe-n disuntikkan ke dalam ZnO CTL. Selain itu, ketika tegangan pemrograman ditetapkan pada 13 V, Vth meningkat perlahan dari 2 menjadi 3,1 V dengan memperpanjang waktu pemrograman dari 1 s menjadi 30 ms, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2c. Menariknya, ketika perangkat memori murni diprogram pada bias gerbang negatif, Vth menunjukkan pergeseran penting menuju bias negatif, ditunjukkan pada Gambar. 2b. Untuk waktu pemrograman konstan 80 ms, Vth diperbesar dari 5.2 menjadi 7.4 V dengan meningkatnya bias pemrograman dari 8 menjadi 13 V. Bahkan jika perangkat memori murni diprogram pada -13 V selama 1 s, ia juga dapat menunjukkan Vth sebesar 6,5 V, ditunjukkan pada Gambar. 2d. Ini berarti bahwa sejumlah besar elektron dilepaskan dari CTL, sehingga menghasilkan banyak muatan positif yang tersisa.

Diagram skematis penampang perangkat memori TFT a-IGZO yang diprogram di bawah bias gerbang positif (a ) dan bias gerbang negatif (b ), masing-masing.

Kurva transfer perangkat memori TFT a-IGZO dan yang diprogram a pada berbagai bias gerbang positif untuk waktu konstan 80 ms, b pada berbagai bias gerbang negatif untuk waktu konstan 80 ms, c pada 13 V untuk berbagai waktu pemrograman, dan d pada 13 V untuk berbagai waktu pemrograman. Semua kurva transfer untuk setiap gambar diukur pada perangkat yang sama, dan semua operasi pemrograman dilakukan secara berurutan.

Untuk memahami efek perangkap muatan dari lapisan ZnO, TFT a-IGZO tanpa ZnO CTL juga dibuat sebagai perangkat kontrol untuk perbandingan. Gambar 3 menunjukkan karakteristik transfer perangkat kontrol ketika diprogram di bawah bias positif dan negatif yang berbeda, masing-masing. Ditemukan bahwa perangkat tidak menunjukkan Vth . yang terlihat terlepas dari polaritas dan amplitudo tegangan pemrograman. Hal ini menunjukkan bahwa Vth . berbeda yang disebutkan di atas untuk perangkat memori harus dianggap berasal dari ZnO CTL. Di sisi lain, dicatat bahwa IGZO adalah semikonduktor tipe-n alami, sehingga elektron dalam saluran IGZO dapat dengan mudah disuntikkan ke dalam ZnO CTL di bawah bias gerbang positif (mis.. , +9V). Namun, ketika bias pemrograman negatif diterapkan ke elektroda gerbang perangkat, saluran a-IGZO cenderung habis, dan konduksi lubang hampir tidak tercapai [15]. Dalam hal ini, perangkat tidak dapat diprogram melalui injeksi lubang dari saluran, dan dengan demikian kemungkinan unik pemrograman listrik diwujudkan dengan menghilangkan perangkap elektron intrinsik dalam ZnO CTL murni. Faktanya, hasil eksperimen kami menunjukkan bahwa perangkat dapat dengan mudah diprogram di bawah bias gerbang negatif, lihat Gambar. 2d. Gambar 4 menunjukkan karakteristik daya tahan memori sebagai fungsi dari siklus pemrograman/penghapusan (P/E). Perangkat menunjukkan jendela memori 3,7 V untuk 10 3 siklus P/E dalam kasus pemrograman 11 V/1 ms dan penghapusan 9 V/10 s. Selanjutnya, jendela memori sebesar 7,2 V dapat dicapai pada 10 3 siklus P/E sehubungan dengan pemrograman 12 V/1 ms dan penghapusan 12 V/10 s. Tabel 1 membandingkan karakteristik pemrograman dan penghapusan berbagai memori TFT a-IGZO [14, 22, 23]. Dibandingkan dengan perangkat lain, perangkat kami menunjukkan efisiensi penghapusan yang jauh lebih tinggi bahkan di bawah bias yang lebih rendah (−12 V) dan waktu yang jauh lebih singkat (10 s) terlepas dari keunggulan yang tidak mencolok dalam efisiensi pemrograman.

Kurva transfer perangkat TFT a-IGZO dan yang diprogram a pada bias gerbang positif yang berbeda untuk waktu konstan 80 ms dan b pada bias gerbang negatif yang berbeda untuk waktu konstan 80 ms

Karakteristik daya tahan perangkat memori TFT a-IGZO sebagai fungsi siklus P/E

Untuk memperjelas asal usul elektron yang dilepaskan dari ZnO CTL murni, berbagai ZnO CTL yang diproses dibandingkan dalam perangkat memori TFT a-IGZO. Gambar 5 menunjukkan ketergantungan tegangan pemrograman Vth untuk perangkat dengan ZnO CTL yang berbeda. Diamati bahwa, untuk perangkat memori dengan as-deposited dan N2 -anil ZnO CTL, hasil Vth menunjukkan kecenderungan peningkatan yang sama dengan menaikkan tegangan pemrograman meskipun ada polaritas tegangan. Namun, untuk perangkat memori dengan O2 -annealed ZnO CTL, nilai absolut dari Vth menunjukkan penurunan yang signifikan di bawah kondisi pemrograman yang sama, misalnya, nilai absolut dari Vth berkurang masing-masing 2 dan 3 V, dalam kasus pulsa pemrograman 13 V/80 ms dan 12 V/1 s. Selanjutnya, perilaku pemrograman jenuh diamati untuk O2 -anil ZnO CTL dalam kasus bias gerbang positif dan negatif. Ini harus dianggap berasal dari jebakan terbatas di CTL. Singkatnya, pasca-anil di O2 pada 250 °C mengurangi jumlah pusat perangkap di film ZnO, sehingga menyebabkan penurunan kapasitas perangkap muatan.

Pergeseran tegangan ambang dari perangkat memori TFT a-IGZO dengan lapisan perangkap muatan ZnO yang diproses berbeda sebagai fungsi a tegangan pemrograman positif untuk waktu pemrograman konstan 80 ms dan b tegangan pemrograman negatif untuk waktu pemrograman konstan 1 s. Untuk setiap kondisi, lima perangkat diukur.

Untuk menyelidiki pengaruh pasca-anil pada sifat-sifat film ZnO, film ZnO yang diendapkan dan diproses dicirikan oleh pengukuran efek Hall dan XPS. Seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 6, film ZnO dianil dalam N2 pada 250 °C menunjukkan konsentrasi pembawa 4,4×10 19 cm −3 , yang sangat dekat dengan itu (4,5 × 10 19 cm −3 ) dari film ZnO yang diendapkan; namun, film ZnO dianil dalam O2 pada 250 °C menunjukkan penurunan yang luar biasa dalam konsentrasi pembawa, yang sama dengan 1,8 × 10 18 cm −3 . Dilaporkan bahwa donor intrinsik dalam film semikonduktor ZnO tipe-n adalah kekosongan oksigen [24]. Kwon dkk. juga melaporkan bahwa rasio atom O/Zn dalam film ALD ZnO menurun secara bertahap dari 0,90 menjadi 0,78 dengan meningkatnya suhu pengendapan dari 70 menjadi 130 °C [25]. Ini mengungkapkan adanya kekosongan oksigen dalam film ALD ZnO. Oleh karena itu, O2 Penurunan konsentrasi pembawa (elektron) yang diinduksi annealing harus dikaitkan dengan pengurangan kekosongan oksigen dalam film ZnO. Selanjutnya, spektrum O1s XPS resolusi tinggi dari film ZnO yang diendapkan dan yang dianil dalam N2 atau O2 dianalisis, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 7. Tiga puncak yang terdekonvolusi berpusat pada 530,0, 531,6, dan 532,4 eV, sesuai dengan O 2− ion terikat dengan Zn 2+ (O1), kekosongan oksigen (O2), dan elemen oksigen chemisorbed (-OH, dll.) (O3), masing-masing [26]. Dibandingkan dengan film ZnO yang diendapkan, post-annealing di O2 menghasilkan penurunan 2,1% dalam persentase relatif O2. Namun demikian, untuk film ZnO yang dianil dalam N2 , persentase relatif O2 hampir tidak berubah. Hasil ini menunjukkan bahwa O2 anil dapat mempasifkan kekosongan oksigen dalam film ZnO, tetapi N2 anil tidak bisa dilakukan. Hal ini semakin menegaskan korelasi antara kekosongan oksigen dan konsentrasi pembawa.

Konsentrasi pembawa film ZnO yang diendapkan dan yang dianil dalam kondisi yang berbeda.

Spektrum O1s XPS resolusi tinggi dari film ZnO yang diendapkan dan yang dianil pada 250 °C dalam O2 dan N2 , masing-masing. O1 dan O2 sesuai dengan O 2− ion terikat dengan Zn 2+ dan kekosongan oksigen, masing-masing. O3 dikaitkan dengan unsur oksigen yang diserap secara kimia (–OH, dll). Untuk menghilangkan kontaminan permukaan yang tidak disengaja, semua sampel digores dengan bombardir ion Ar in situ

Berdasarkan hasil eksperimen tersebut di atas, dapat disimpulkan bahwa karakteristik pemrograman perangkat memori murni didominasi oleh konsentrasi cacat terkait kekosongan oksigen di ZnO CTL. Dengan kata lain, kekosongan oksigen dalam film ZnO terutama berfungsi sebagai pusat perangkap untuk menjebak muatan positif dan negatif. Dilaporkan bahwa cacat terkait kekosongan oksigen di ZnO termasuk kekosongan oksigen netral (VO ), kekosongan oksigen terionisasi tunggal (VO + ), dan kekosongan oksigen terionisasi ganda (VO 2+ ), yang tingkat energinya masing-masing terletak pada 0,02-0,04, 0,3-0,45, dan 0,61 eV, di bawah pita konduksi minimum ZnO [27, 28]. Karena film ZnO yang diendapkan menunjukkan konsentrasi elektron yang tinggi dalam kasus kami, konsentrasi kekosongan oksigen netral yang berfungsi sebagai donor dangkal harus jauh lebih tinggi daripada kekosongan oksigen terionisasi (VO + dan VO 2+ ). Dalam hal pemrograman pada bias gerbang positif, elektron dalam lapisan akumulasi saluran a-IGZO disuntikkan ke dalam lapisan ZnO oleh mekanisme tunneling Fowler–Nordheim (FN), yang ditunjukkan oleh peningkatan Vth dengan meningkatkan tegangan pemrograman pada Gambar. 2a. Sementara itu, elektron-elektron ini diperkirakan terperangkap secara istimewa pada tingkat VO . yang dalam + dan VO 2+ , seperti yang digambarkan pada Gambar. 8a. Hal ini menyebabkan pergeseran Vth menuju bias positif. Tentu saja, selain kekosongan oksigen yang menjebak elektron, cacat lain juga bisa menangkap elektron. Namun, data eksperimen kami menunjukkan bahwa kekosongan oksigen memainkan peran penting dalam perangkap elektron serta penangkapan muatan positif, seperti yang diungkapkan pada Gambar. 5. Di bawah tegangan pemrograman negatif, kekosongan oksigen netral dalam ZnO CTL murni dominan menyumbangkan elektron karena tingkat energi paling dangkal [27, 28], dan terowongan elektron yang dilepaskan dari ZnO CTL ke dalam saluran, sehingga mengarah pada pembentukan kekosongan oksigen bermuatan positif (misalnya, VO + ), seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 8b. Hal ini menyebabkan pergeseran Vth dalam arah bias negatif, seperti yang ditunjukkan pada Gambar. 2b. Selanjutnya, karena konsentrasi kekosongan oksigen netral yang lebih tinggi (VO ) dalam CTL ZnO yang didepositkan, perangkat memori murni menunjukkan efisiensi pemrograman yang jauh lebih tinggi di bawah bias gerbang negatif daripada di bawah bias gerbang positif. Misalnya, nilai absolut dari Vth sebesar 6,5 V setelah pemrograman pada 13 V selama 1 s (lihat Gambar 2d); namun, Vth sama dengan 2 V setelah pemrograman pada 13 V selama 1 s (Gbr. 2c). Ini karena yang pertama ditentukan terutama oleh konsentrasi VO , dan yang terakhir didominasi oleh konsentrasi VO + dan VO 2+ .

Diagram pita energi perangkat memori TFT a-IGZO yang diprogram di a bias gerbang positif dan b bias gerbang negatif, masing-masing. Vo , Vo + , dan Vo 2+ menunjukkan kekosongan oksigen netral, kekosongan oksigen terionisasi tunggal, dan kekosongan oksigen terionisasi ganda, masing-masing

Kesimpulan

Singkatnya, kami membuat memori TFT a-IGZO bipolar yang dapat diprogram dengan ZnO CTL yang disimpan di lapisan atom. Dibandingkan dengan pemrograman di bawah bias gerbang positif, pemrograman di bawah bias gerbang negatif dapat menghasilkan efisiensi yang jauh lebih tinggi. Ini karena cacat kekosongan oksigen yang berbeda berlaku selama pemrograman yang bergantung pada polaritas tegangan. Artinya, cacat dalam dari VO + dan VO 2+ memainkan peran kunci untuk perangkap elektron selama pemrograman bias positif, dan cacat dangkal VO terutama menyumbangkan elektron selama pemrograman bias negatif, menghasilkan generasi kekosongan oksigen bermuatan positif.

Ketersediaan Data dan Materi

Kumpulan data yang mendukung kesimpulan naskah ini disertakan dalam naskah.

Singkatan

a-IGZO:

Indium-gallium-seng-oksida amorf

ALD:

Deposisi lapisan atom

CTL:

Mengisi lapisan perangkap

TFT:

Transistor film tipis

XPS:

Spektroskopi fotoelektron sinar-X


bahan nano

  1. Menyetel Morfologi Permukaan dan Sifat Film ZnO dengan Desain Lapisan Antarmuka
  2. Fermi Level Tuning ZnO Films Melalui Supercycled Atomic Layer Deposition
  3. Sel Surya Perovskit Terbalik yang Sangat Efisien dengan Lapisan Pengangkut Elektron CdSe QDs/LiF
  4. Investigasi Sel Surya Kristal-Silikon dengan Lapisan Silikon Hitam di Bagian Belakang
  5. Peningkatan Kinerja Perangkat TFT a-IGZO Menggunakan Proses Antarmuka Bersih melalui Etch-Stopper Nano-layers
  6. Mengurangi Resistensi Kontak Antara Logam dan n-Ge dengan Penyisipan ZnO dengan Perlakuan Plasma Argon
  7. Pengaruh Bilayer CeO2−x/ZnO dan ZnO/CeO2−x Struktur Heterostruktur dan Polaritas Elektroform pada Sifat Pengalihan Memori Non-Volatil
  8. Investigasi Pita Energi pada Lapisan-Atom-Deposit ZnO/β-Ga2O3 (\( \overline{2}01 \)) Heterojunctions
  9. Ultra-Resistance Spesifik Rendah Lateral Transistor Logam-Oksida-Semikonduktor-Semikonduktor dengan Resistansi Ganda yang Ditingkatkan dengan Lapisan Terkubur-P Parsial dan Gerbang Ganda yang Ditingka…
  10. Python - Pemrograman Ekstensi dengan C