SWCNT-FeFET dengan Kontrol Cekatan HfO₂ Mencapai Rasio On/Off Rekor, Daya Tahan, dan Retensi

Abstrak

Kami telah merancang transistor efek medan ferroelektrik (FeFET) yang menggunakan benang nanokarbon tunggal (SWCNT) sebagai saluran, film ferroelektrik (Bi,Nd)₄Ti₃O₁₂ (BNT) sebagai dielektrik gerbang, dan lapisan HfO₂ tipis sebagai buffer kontrol cekatan. Perangkat yang dihasilkan menunjukkan konduktivitas saluran yang tinggi, rasio arus on/off yang melebihi 2×10⁵, mobilitas penangkap 395 cm²/V·s, dan daya tahan lelah serta performa retensi data yang kuat. Meskipun kapasitas gerbang efektif yang sangat tipis, lapisan HfO₂ membatasi arus bocoran gerbang hingga 3,1×10⁻⁹ A/cm² pada −3 V.

Latar Belakang

FeFET menjanjikan untuk memori non-volatil dan logika daya rendah karena menggabungkan kecepatan tinggi, struktur perangkat tunggal yang sederhana, dan pembacaan non-destruktif [1–3]. BNT adalah ferroelektrik bebas timbal dengan stabilitas kimia yang baik dan daya tahan lelah, menjadikannya dielektrik gerbang yang menarik yang dapat mengurangi tegangan ambang dan meningkatkan konduktivitas saluran. Nanotubus karbon (CNT) banyak digunakan dalam FeFET karena konduktivitas dan mobilitasnya yang superior [4–7]. CNT ideal tidak memiliki ikatan rambat, yang meminimalkan reaksi antarmuka dengan film ferroelektrik [8,9]. Namun, pembuatan satu CNT antara sumber dan drain secara eksperimental sangat sulit, dan jaringan CNT sering mengandung tabung logam yang menurunkan rasio on/off [7,10]. Penelitian sebelumnya telah menggunakan benang CNT multi-dinding (MWCNT) untuk mengatasi masalah ini, tetapi lelah dan retensi dari perangkat tersebut masih belum jelas [9]. SWCNT, sebagai tabung grafen tunggal yang seamless, menawarkan kualitas yang lebih tinggi dan kurang cacat dibandingkan MWCNT [11]. Cacat seperti ion keturunan, rongga oksigen, dan dislocation dalam film ferroelektrik dapat menyebar dan mengurangi kinerja perangkat [12–16]. Lapisan HfO₂ tipis dapat mencegah difusi cacat, bertindak sebagai buffer pencocokan jaringan antara BNT dan Si, dan sehingga mengurangi densitas dislocation dalam film BNT, yang meningkatkan rasio on/off, daya tahan lelah, dan retensi.

Metode

FeFET dibuat pada Si n-tipe yang sangat di-dope (ρ = 0,0015 Ω·cm) yang digunakan sebagai gerbang belakang. Lapisan HfO₂ 20 nm di-deposi dengan depoisi laser pulsed (PLD) dengan laser excimer KrF (248 nm). Film BNT 300 nm kemudian ditumbuhkan dengan PLD seperti yang dijelaskan dalam karya sebelumnya [17]. SWCNT (panjang 10–30 µm, diameter 0,8–1,1 nm, kemurnian 85 %) dirakit melalui self-assembly yang diinduksi oleh evaporasi: dispersi SWCNT/air 100 mg/L dievaporasi pada 80 °C dengan laju 9–21 µL/min, membentuk benang berukuran mikron pada substrat BNT/HfO₂/Si. Elektroda sumber/drain Pt (4,5 mm² masing-masing) di-sputter dengan depoisi ion-beam melalui masker 1 cm². Panjang dan lebar saluran adalah 200 µm dan 1500 µm, masing-masing. Post-anelan pada 500 °C selama 2 jam meningkatkan kontak elektroda-CNT. SWCNT logam secara selektif dihilangkan oleh pulsa tegangan gerbang tinggi, meninggalkan jaringan semiconductor. Untuk perbandingan, SWCNT/SiO₂-FET dan MWCNT/BNT-FeFET dibuat dalam kondisi yang sama. Karakterisasi listrik menggunakan parameter analyzer Keithley 4200; histeresis ferroelektrik diukur dengan analyzer workstation RT Precision.

Hasil dan Pembahasan

Gambar 1a menunjukkan jaringan SWCNT yang dibentuk pola benang; benangnya muncul sebagai rintik terang, rapat, sementara substrat BNT/HfO₂/Si yang di bawahnya terlihat sebagai area gelap, tenggelam. Citra SEM (Gambar 1b–d) mengonfirmasi permukaan BNT/HfO₂ yang kristal, berpori, dibandingkan BNT yang lebih halus. Loop histeresis (Gambar 1e) mengungkapkan bahwa film BNT/HfO₂ menunjukkan polarisasi yang lebih tinggi dibandingkan BNT sendirian, yang mengindikasikan difusi cacat yang dikurangi saat ditumbuhkan pada HfO₂.

Karakteristik output (Gambar 2) menunjukkan perilaku p-channel tipikal. Baik FeFET SWCNT/BNT/HfO₂ maupun SWCNT/BNT mencapai arus sumber-drain terpuas 3,8×10⁻² A dan konduktivitas 9,5×10⁻³ S pada VGS = −4 V, VDS = 4 V. Namun, perangkat berbasis HfO₂ menunjukkan arus off-state yang jauh lebih rendah dan bocoran yang bisa diabaikan pada VGS = 0 V, yang mengonfirmasi pemblokiran cacat yang efektif.

Kurva transfer (Gambar 3) memberikan tegangan ambang 0,2 V (HfO₂) dan 0,8 V (tanpa HfO₂) dan mobilitas 395 cm²/V·s dan 300 cm²/V·s, masing-masing. Plot transfer logaritmik (Gambar 4) menghasilkan rasio on/off 2×10⁵, 2×10⁴, dan 2,3×10² untuk SWCNT/BNT/HfO₂-FeFET, SWCNT/BNT-FeFET, dan SWCNT/SiO₂/HfO₂-FET, masing-masing. Lapisan HfO₂ secara signifikan meningkatkan rasio on/off dengan menekan bocoran yang diinduksi cacat.

Lebar jendela memori yang diukur dari histeresis IDS–VGS adalah 4,2 V (HfO₂) dan 4,1 V (tanpa HfO₂), jauh melebihi 1,1 V yang diamati dalam FeFET CNT/PZT [20], yang menunjukkan kopling ferroelektrik yang kuat. Studi retensi (Gambar 5) menunjukkan bahwa SWCNT/BNT/HfO₂-FeFET mempertahankan rasio on/off 3×10⁴ setelah 10⁶ s, dengan degradasi hanya 3,2 %, dan ekstrapolasi memprediksi rasio 1,9×10⁴ setelah 10⁸ s. Dalam kontras, perangkat tanpa HfO₂ hanya mempertahankan 3×10³ (SWCNT/BNT) dan 2×10² (MWCNT/BNT). Pengukuran arus bocoran (Gambar 6) mengonfirmasi bahwa film BNT/HfO₂ memiliki bocoran yang satu order magnitud lebih rendah (1,2×10⁻⁹ A) dibandingkan Bnt sendirian (1,5×10⁻⁸ A) pada −3 V, sesuai dengan densitas ruang-muatan yang lebih rendah (2,1×10¹⁷ cm⁻³ versus 1,4×10¹⁹ cm⁻³).

Daya tahan lelah (Gambar 7) menunjukkan kerusakan 3 % setelah 10¹¹ siklus untuk perangkat HfO₂, dibandingkan dengan 10 % dan 25 % untuk SWCNT/BNT-FeFET dan MWCNT/BNT-FeFET, masing-masing. Buffer HfO₂ tipis secara efektif mencegah difusi Si dan kotoran ion, mempertahankan polarisasi ferroelektrik.

Simulasi (Gambar 8) dari histeresis P–E dan kurva IDS–VGS menggunakan model muatan asimetris mengonfirmasi bahwa lapisan HfO₂ mengurangi asimetri yang diinduksi cacat, menurunkan arus off-state dan meningkatkan stabilitas perangkat.

Kesimpulan

Integrasi lapisan kontrol cacat HfO₂ tipis ke dalam FeFET SWCNT-BNT menghasilkan bocoran rendah (1,2×10⁻⁹ A pada −3 V), rasio on/off tinggi (2×10⁵), dan mobilitas tinggi (395 cm²/V·s). Perangkat menunjukkan daya tahan lelah yang luar biasa (kerusakan 3 % setelah 10¹¹ siklus) dan retensi data yang kuat (rasio on/off > 1,9×10⁴ setelah 10⁸ s). Perbaikan ini berasal dari penindasan cacat dan pencocokan jaringan yang disediakan oleh HfO₂, seperti yang dikonfirmasi oleh pengukuran dan simulasi.

Singkatan

BNT

(Bi,Nd)₄Ti₃O₁₂

FeFETs

Transistor efek medan ferroelektrik

MWCNT

CNT multi-dinding

PLD

Depoisi laser pulsed

SWCNT

Nanotubus karbon tunggal