Karbon Nanotube Berdinding Tunggal Didominasi Micron-Wide Stripe Berpola Ferroelectric Field-Effect Transistor dengan Lapisan Kontrol Cacat HfO2
Abstrak
Transistor efek medan feroelektrik (FeFETs) dengan karbon nanotube berdinding tunggal (SWCNT) didominasi strip lebar mikron berpola sebagai saluran, (Bi,Nd)4 Ti3 O12 film sebagai isolator, dan HfO2 film sebagai lapisan kontrol cacat dikembangkan dan dibuat. SWCNT-FeFET yang disiapkan memiliki sifat yang sangat baik seperti konduktansi saluran yang besar, rasio arus hidup/mati yang tinggi, mobilitas pembawa saluran yang tinggi, kinerja ketahanan lelah yang hebat, dan retensi data. Meskipun ketebalan ekivalen kapasitansinya tipis, isolator gerbang dengan HfO2 lapisan kontrol cacat menunjukkan kerapatan arus bocor yang rendah sebesar 3,1 × 10
−9
A/cm
2
pada tegangan gerbang 3 V.
Latar Belakang
Transistor efek medan feroelektrik (FeFET) adalah kandidat yang menjanjikan untuk perangkat memori nonvolatil dan sirkuit terintegrasi karena kecepatannya yang tinggi, struktur perangkat tunggal, konsumsi daya rendah, dan operasi pembacaan tak rusak [1,2,3]. (Bi,Nd)4 Ti3 O12 (BNT) adalah film tipis feroelektrik bebas Pb dengan sifat kimia yang stabil dan kinerja ketahanan lelah. Dengan demikian, FeFET yang menggunakan BNT sebagai dielektrik gerbang akan memiliki tegangan ambang yang lebih kecil, konduktansi saluran yang besar, dan sebagainya. Karbon nanotube (CNTs) telah banyak diterapkan di FeFET karena konduktivitasnya yang tinggi dan mobilitas pembawa yang besar [4,5,6,7]. Telah diketahui dengan baik bahwa tidak ada ikatan yang menggantung pada permukaan CNT yang ideal, yang menyebabkan reaksi antarmuka kecil antara film feroelektrik dan CNT [8, 9]. Namun, sangat sulit untuk mencapai pertumbuhan CNT tunggal antara elektroda sumber dan saluran pembuangan dalam percobaan. Selain itu, rasio arus on/off jaringan nanowire CNT FeFET umumnya rendah karena pencampuran nanotube logam dalam jaringan CNT [7, 10]. Lagu dkk. diusulkan untuk menggunakan multiwalled CNT micron-wide stripe berpola sebagai bahan saluran FeFET untuk mengatasi masalah tersebut di atas, tetapi kinerja ketahanan lelah dan retensi karakteristik fisik FeFET CNT tidak jelas [9]. Dibandingkan dengan multiwalled CNT (MWCNT), single-walled CNT (SWCNT) adalah lembaran graphene tunggal yang dibungkus mulus yang dibentuk menjadi tabung silinder [11]. Selain itu, ada beberapa cacat (seperti pengotor ion, kekosongan oksigen, dan dislokasi) yang sulit dikendalikan selama pembuatan film tipis feroelektrik [12,13,14]. Difusi cacat ini dapat mempengaruhi rasio arus on/off, kinerja ketahanan lelah, dan retensi data [15, 16]. Oleh karena itu, kami menanamkan HfO2 lapisan di SWCNT-FeFET, yang digunakan untuk memblokir difusi cacat titik dan dapat digunakan sebagai lapisan penyangga untuk menghilangkan ketidaksesuaian antara BNT dan Si dan oleh karena itu untuk mengurangi kerapatan dislokasi dalam film BNT. Ini dapat mengontrol cacat pada SWCNT-FeFET, dan kemudian secara signifikan meningkatkan rasio arus hidup/mati, karakteristik kelelahan, dan retensi data.
Dalam penelitian ini, kami membuat SWCNT jaringan berpola garis lebar mikron yang teratur dan selaras sebagai lapisan saluran, film BNT sebagai isolator, dan HfO2 film sebagai lapisan kontrol cacat untuk membuat FeFET tipe gerbang bawah dan diharapkan untuk mendapatkan rasio arus on/off yang baik, karakteristik kelelahan, dan retensi data. Struktur SWCNT-FeFET dan prosedur preparasinya ditunjukkan pada Gambar 1a, b. Selain itu, kami juga telah membuat MWCNT-FeFET untuk perbandingan.
a Diagram struktur SWCNT-FeFET bermotif strip. b Diagram alir bermotif garis SWCNT/BNT/HfO2 -Fabrikasi FeFET
Metode
Dalam perangkat FeFET, digunakan saluran dengan pola garis lebar mikron SWCNT, film tipis BNT digunakan sebagai dielektrik gerbang, HfO2 film digunakan sebagai lapisan kontrol cacat, dan Si tipe-n yang didoping berat digunakan sebagai substrat dan elektroda gerbang belakang FeFET secara bersamaan. Resistivitas Si tipe-n adalah 0,0015 Ω cm. HfO2 diendapkan pada substrat Si dengan deposisi laser berdenyut (PLD) menggunakan laser excimer KrF dengan panjang gelombang 248 nm, dan ketebalannya sekitar 20 nm. Film BNT diendapkan pada substrat Si oleh PLD seperti yang dijelaskan dalam karya awal [17], dan ketebalannya sekitar 300 nm. SWCNT arc-discharge murni dibeli dari Chengdu Institute of Organic Chemistry (Chinese Academy of Science); panjang dan diameternya masing-masing adalah 10–30 μm dan 0,8–1,1 nm. Kemurniannya adalah 85% yang menandakan bahwa SWCNT didominasi. SWCNT dibuat dengan menggunakan perakitan mandiri yang diinduksi penguapan. Konsentrasi SWCNT/dispersi air adalah 100 mg/L, laju penguapan bervariasi dalam kisaran 9–21 μL/menit, dan suhu 80 °C. Dengan mengontrol suhu penguapan pelarut, pola garis yang jelas terbentuk pada antarmuka padat-cair-uap pada BNT/HfO2 /Si substrat. Selanjutnya, elektroda sumber / saluran Pt diendapkan pada SWCNTs / BNT dengan sputtering berkas ion menggunakan pelat topeng. Luas total pelat topeng logam adalah 1 cm
2
, dan area sumber dan saluran pembuangan keduanya 4,5 mm
2
. Panjang saluran (L ) dan lebar (L ) dari FeFET masing-masing adalah 200 dan 1500 μm. SWCNT-FeFET fabrikasi diikuti dengan post annealing pada 500 °C selama 2 jam untuk meningkatkan kontak antara elektroda sumber/penguras dan SWCNT. Seperti yang dilaporkan, jaringan CNT berisi nanotube logam dan semikonduktor. Jaringan CNT diproses dengan menerapkan tegangan gerbang yang besar. Nanotube logam SWCNT hampir terablasi dan nanotube SWCNT semikonduktor tetap dengan arus beban [18]. Untuk membandingkan, SWCNT/SiO2 -FET dibuat dengan metode dan kondisi yang sama; MWCNTs/BNT-FET juga dibuat dengan metode seperti yang dijelaskan dalam pekerjaan awal [9]. Karakteristik FeFET diukur menggunakan penganalisis parameter Keithley 4200. Loop histeresis dan polarisasi FeFET diukur menggunakan penganalisis feroelektrik RT Precision Workstation.
Hasil dan Diskusi
Gambar 2 menunjukkan gambar SEM khas dari pola garis SWCNTs. Pola strip lebar mikron SWCNT reguler dan selaras ditampilkan pada Gambar. 2a. Garis-garis yang menonjol dan terang adalah garis-garis SWCNT, di mana SWCNTs dikemas secara padat seperti yang ditunjukkan pada gambar garis yang diperbesar pada Gambar. 2b. Garis-garis cekung dan abu-abu sesuai dengan BNT/HfO2 . yang terbuka /Si substrat di ruang antara garis-garis lebar mikron SWCNT. Konsentrasi larutan prekursor SWCNT meningkat dengan penguapan, dan lebar garis bergradasi sedikit meningkat dengan menurunnya tingkat cairan SWCNT/air. BNT/HfO2 film dan film BNT pada substrat Si ditunjukkan pada Gambar. 2c, d. Terlihat bahwa permukaan BNT/HfO2 film terdiri dari banyak butiran kristal dan pori-pori, yang menunjukkan kekasaran yang lebih besar daripada film BNT. Gambar 2e menunjukkan P -V loop histeresis BNT dan BNT/HfO2 film, masing-masing. Polarisasi loop histeresis dari BNT/HfO2 film lebih besar dari film BNT dalam tegangan yang sama. Meskipun HfO2 lapisan berbagi bagian dari tegangan BNT/HfO2 film, film BNT masih menunjukkan nilai polarisasi yang lebih baik daripada BNT yang ditanam pada substrat Si. Itu karena film BNT tumbuh di HfO2 lapisan memiliki konsentrasi cacat difusi yang lebih rendah daripada film BNT yang ditanam pada substrat Si secara langsung.
a Mikrograf SEM garis SWCNT berpola pada SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET. b Struktur grid SWCNTs. c Gambar permukaan SEM untuk BNT/HfO2 film. d Gambar permukaan SEM untuk film BNT. e Loop histeresis BNT dan BNT/HfO2 film
Gambar 3 menunjukkan karakteristik keluaran (IDS-VDS ) kurva SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET. SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET menunjukkan tipikal p -Karakteristik transistor saluran dan arus saluran sumber jenuh pada tegangan saluran sumber rendah. Panjang saluran mereka (L ) adalah 200 μm. Karena pola strip lebar mikron SWCNT, arus “on” dan konduktansi saluran SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET keduanya mencapai 3,8×10
−2
A, 3,6×10
−2
A dan 9,5×10
−3
S, 9×10
−3
S di VGS = − 4 V dan VDS = 4 V. Namun, SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET menunjukkan arus off-state yang lebih rendah daripada SWCNT/BNT-FeFET, dan SWCNT/BNT-FeFET menunjukkan fenomena arus bocor yang serius pada VGS = 0 V. Ini karena HfO2 lapisan secara efektif memblokir difusi cacat.
Kurva karakteristik keluaran SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET(kiri) dan SWCNT/BNT-FeFET(kanan)
Karakteristik transfer (ID -VG ) dari SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET dengan L = 200 μm dan VDS = 0,6 V ditunjukkan pada Gambar. 4. Tegangan ambang (Vth ) dari SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET adalah Vth = 0.2 V dan Vth = 0,8 V dengan kecocokan linier dari (ID )
1/2
vs VGS kurva transistor yang beroperasi di daerah saturasi. Mobilitas saluran (μsab ) dihitung berdasarkan (IDS )
1/2
vs VGS kurva serta ekspresi daerah saturasi untuk transistor efek medan [19],
dimana εr adalah permitivitas relatif dan tmasuk adalah tebal BNT. Konstanta dielektrik relatif (εr ) dari film BNT adalah 350, yang diukur pada 1 MHz oleh penganalisis parameter HP4156. μsab dari SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET adalah 395 dan 300 cm
2
/V s. Gambar 5 menunjukkan IDS –VGS kurva transfer logaritmik dari SWCNT/BNT/HfO yang dibuat2 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET, dan SWCNT/SiO2 /HfO2 -FET dalam mode sapuan ganda. Sapuan tegangan gerbang dilakukan pada VDS dari 0,6 V dan pada VGS berkisar dari − 7 hingga 4 V, − 6 hingga 3 V, dan − 4 ke 1 V. SayaDS rasio hidup/mati SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET, dan SWCNT/SiO2 /HfO2 -FET adalah 2 × 10
5
, 2 × 10
4
, dan 2,3 × 10
2
di VGS berkisar dari − 7 sampai 4 V. SayaDS rasio hidup/mati SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET lebih tinggi dibandingkan MWCNT/BNT-FeFET [9] dan SWCNT/BNT-FeFET. Itu karena HfO2 lapisan kontrol cacat ditanamkan di SWCNT-FeFET, yang secara efektif memblokir difusi cacat. Untuk AkuDS -VGS karakteristik, kami memperoleh loop histeresis searah jarum jam karena pembalikan polarisasi feroelektrik dari film BNT, lebar jendela memori (MW) yang diperoleh dari SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET sekitar 4.2 dan 4.1 V, yang lebih besar dari CNT/PZT-FeFET (1.1 V) dengan jaringan CNT sebagai lapisan saluran [20]. MW yang lebih besar menunjukkan kopling dielektrik yang baik dalam sistem FeFET ini. Dari Gambar 4c, kita dapat melihat lebar jendela yang diperoleh dari SWCNT/SiO2 /HfO2 -FET sekitar 1 V, yang terutama disebabkan oleh kepadatan cacat SWCNT [21]. Hasil ini menunjukkan bahwa histeresis jendela memori (4,2 V) FeFET feroelektrik disebabkan oleh polarisasi BNT dan densitas cacat SWCNT.
Kurva karakteristik transfer linier dan pas IDS
1/2
-VG kurva di VDS = 0,6 V untuk garis berpola SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET
Kurva transfer logaritma berpola garis a SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET, b SWCNT/BNT-FeFET, dan c SWCNT/SiO2 /HfO2 -FET di VDS = 0.6 V. Panah menunjukkan loop histeresis berlawanan arah jarum jam, dan garis padat menunjukkan lebar jendela memori
Gambar 6a menunjukkan karakteristik tegangan arus bocor BNT/HfO2 dan film BNT. Seperti yang dapat dilihat, arus bocor adalah 1,2 × 10
−9
A dan 1,5 × 10
−8
A untuk BNT/HfO2 dan film BNT, masing-masing, ketika tegangan mencapai 3 V. Karakteristik tegangan arus bocor BNT/HfO2 dan film BNT dipelajari untuk perbandingan dengan menyesuaikan I -V data. Karakteristik arus bocor dari kontak Schottky diwakili oleh Ln(J ) = b (V + Vdua
*
)
1/4
[9, 22, 23], dan plot yang sesuai untuk BNT/HfO2 dan film BNT dalam rentang tegangan 0 hingga 3,8 V ditunjukkan pada Gambar. 6b. Tegangan bawaan Vdua*
dan kemiringan b dalam rumus dapat diperoleh dengan memasang eksperimen I-V data. Densitas muatan ruang yang dihitung Neff , yang terdiri dari pusat perangkap dalam dan kekosongan oksigen [22], adalah sekitar 2,132 × 10
17
cm
−3
dan 1,438 × 10
19
cm
−3
untuk BNT/HfO2 dan film BNT, masing-masing. Hal ini menunjukkan bahwa film BNT yang diendapkan pada substrat Si adalah semikonduktor tipe-n sesuai dengan rumus ketinggian penghalang antarmuka [24]. Ini konsisten dengan efek HfO2 untuk mengurangi arus mati ID -VG kurva pada Gambar. 4a, b, karena BNT tipe-n menghasilkan elektron meningkatkan arus lepas pada tegangan negatif. Konduksi film BNT menunjukkan mekanisme yang dikendalikan secara massal, yang selanjutnya menyiratkan bahwa BNT tipe-n terutama disebabkan oleh cacat atau pengotor konduktif [9, 22].
a Karakteristik tegangan arus bocor BNT/HfO2 dan film BNT. b Kurva pas karakteristik tegangan arus bocor BNT/HfO2 dan film BNT. c Performa ketahanan lelah SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET, dan MWCNT/BNT-FeFET
Gambar 6c menunjukkan kinerja ketahanan lelah untuk SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET, dan MWCNT/BNT-FeFET dengan pulsa bipolar 100-KHz pada VGS berkisar dari − 7 hingga 4 V. Performa ketahanan lelah FeFET ditunjukkan dengan hilangnya polarisasi yang dapat dialihkan dengan siklus peralihan yang berulang. Nilai polarisasi non-volatil (Pnv ) diperoleh dengan persamaan Pnv = Pr
*Pr
^
dan kemudian, dinormalisasi dengan Pnv /Pr0
*
[25], di mana Pr
*
adalah dua kali sisa polarisasi FeFET, Pr
^
adalah hilangnya polarisasi setelah pulsa berikutnya, dan Pr0
*
adalah dua kali polarisasi sisa awal FeFET. Hilangnya sebagian dari P . yang dinormalisasi nv setelah 10
11
siklus peralihan baca/tulis diamati untuk FeFET, yaitu sekitar 3, 10, dan 25% untuk SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET, dan MWCNT/BNT-FeFET, masing-masing. Ketika BNT langsung tumbuh di bawah elektroda Si, kinerja kelelahan SWCNT/BNT-FeFET sangat buruk karena difusi antara substrat BNT dan Si melalui batas butir [12,13,14]. Hasil ini menunjukkan bahwa HfO2 lapisan secara efektif memblokir difusi substrat Si dan mengurangi pengotor ion, yang menghasilkan kinerja ketahanan lelah yang sangat baik.
Untuk menilai keandalan perangkat FeFET terhadap aplikasi NVRAM, kami telah memeriksa retensi data. Gambar 7 menunjukkan kurva retensi arus sumber-penguras untuk SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET, dan MWCNT/BNT-FeFET pada suhu kamar. Pulsa tegangan VGS = − 4 V dan VGS = 1 V di VDS = 1 V diterapkan ke elektroda gerbang dan sumber-penguras, masing-masing mengalihkan tegangan FeFET ke mati atau hidup. Rasio arus hidup/mati yang diukur hampir 3 × 10
4
, 7 × 10
3
, dan 6 × 10
2
untuk SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET, dan MWCNT/BNT-FeFET setelah 10
6
s, masing-masing. Tidak ada kerugian yang signifikan dalam rasio lancar on/off-state (3,2%) setelah waktu retensi 1 × 10
6
s untuk SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET. Dengan mengekstrapolasi kurva menjadi 10
8
s untuk SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET, dan MWCNT/BNT-FeFET, rasio arus on/off-state hampir 1,9 × 10
4
, 3 × 10
3
, dan 2 × 10
2
, masing-masing. Rasio status aktif/nonaktif SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET masih cukup tinggi untuk fungsi memori, menunjukkan properti retensi yang diinginkan dari perangkat memori saat ini. Retensi dipengaruhi oleh arus bocor gerbang [26, 27]. Waktu retensi yang lama menunjukkan HfO2 lapisan kontrol cacat dapat secara efektif mengurangi arus off-state dan arus bocor gerbang, yang menstabilkan rasio arus on/off. Selain itu, kami juga membuat perbandingan antara FET berbasis feroelektrik dan CNT yang berbeda pada Tabel 1, menunjukkan bahwa SWCNT/BNT/HfO2 fabrikasi -FeFET dalam penelitian ini dapat memberikan rasio arus hidup/mati yang tinggi, kinerja ketahanan lelah yang hebat, dan retensi data.
Karakteristik retensi SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET dan MWCNT/BNT-FeFET pada suhu kamar
Untuk lebih memahami bagaimana cacat mempengaruhi karakteristik fisik perangkat, P -E loop histeresis dan IDS -VGS kurva untuk SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET disimulasikan dengan mempertimbangkan muatan asimetris yang disebabkan oleh cacat menggunakan model kami sebelumnya [12, 28]. Muatan asimetris yang disebabkan oleh cacat dianggap mensimulasikan P -E loop histeresis dan IDS -VGS kurva BNT, dan muatan simetris dianggap mensimulasikan BNT/HfO2 . Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar. 8a, b, yang serupa dengan hasil percobaan Gambar. 2e dan 5a, b, masing-masing. Hasil simulasi menunjukkan HfO2 lapisan secara efektif mengurangi muatan asimetris film feroelektrik yang disebabkan oleh cacat, yang selanjutnya meningkatkan arus off-state. Oleh karena itu, dapat ditunjukkan bahwa cacat film tipis feroelektrik dikendalikan secara efektif oleh HfO2 lapisan kontrol cacat.
Simulasi aP -E loop histeresis BNT dan BNT/HfO2 film dan bAkuDS -VGS kurva untuk SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET
Kesimpulan
Singkatnya, efek HfO2 bahan sebagai lapisan kontrol cacat pada rasio arus on/off, kinerja ketahanan lelah, dan retensi data SWCNT/BNT-FeFETs telah diselidiki, di mana cacat film tipis feroelektrik dikendalikan oleh HfO2 sebagai lapisan kontrol cacat. Karena lapisan kontrol cacat tipis HfO2 , SWCNT/BNT/HfO2 . yang dibuat -FeFET menunjukkan arus bocor yang rendah sebesar 1,2 × 10
−9
A saat tegangan mencapai 3 V, rasio arus hidup/mati yang besar sebesar 2 × 10
5
, sebuah Vth 0,2 V, dan μ dari 395 cm
2
/V s. Selain itu, SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET menunjukkan kinerja ketahanan lelah yang sangat baik dan retensi data yang baik yang dikaitkan dengan HfO2 tipis lapisan kontrol cacat. Lingkaran histeresis P -E dan AkuDS -VGS kurva untuk SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET dan SWCNT/BNT-FeFET disimulasikan untuk memahami bagaimana cacat mempengaruhi karakteristik fisik perangkat. Hasil simulasi selanjutnya menunjukkan bahwa muatan asimetris dapat direduksi pada SWCNT/BNT/HfO2 -FeFET oleh HfO2 untuk mengontrol cacat.
