HfO2 결함 제어 레이어가 있는 단일벽 탄소 나노튜브 지배 미크론 와이드 스트라이프 패턴 기반 강유전체 전계 효과 트랜지스터

초록

단일벽 탄소 나노튜브(SWCNT)가 있는 강유전체 전계 효과 트랜지스터(FeFET)는 채널(Bi,Nd)₄로 패턴화된 마이크론 너비의 스트라이프를 지배합니다. Ti₃ O₁₂ 절연체로서의 필름 및 HfO₂ 결함 제어 층으로 필름이 개발 및 제작되었습니다. 준비된 SWCNT-FeFET는 큰 채널 컨덕턴스, 높은 온/오프 전류비, 높은 채널 캐리어 이동도, 우수한 피로 내구성 성능 및 데이터 보존과 같은 우수한 특성을 가지고 있습니다. 얇은 커패시턴스 등가 두께에도 불구하고 HfO₂의 게이트 절연체 결함 제어 레이어는 3.1 × 10⁻⁹ 의 낮은 누설 전류 밀도를 나타냅니다. A/cm² − 3 V의 게이트 전압에서.

<섹션 데이터-제목="배경">

배경

강유전체 전계 효과 트랜지스터(FeFET)는 고속, 단일 소자 구조, 낮은 전력 소비 및 비파괴 판독 동작으로 인해 비휘발성 메모리 소자 및 집적 회로에 대한 유망한 후보입니다[1,2,3]. (Bi,Nd)₄ Ti₃ O₁₂ (BNT)는 안정적인 화학적 특성과 피로 내구성 성능을 가진 무연 강유전체 박막입니다. 따라서 게이트 유전체로 BNT를 사용하는 FeFET는 더 작은 임계 전압, 큰 채널 컨덕턴스 등을 갖게 됩니다. 탄소나노튜브(CNT)는 높은 전도성과 큰 캐리어 이동도 때문에 FeFET에 널리 적용되었습니다[4,5,6,7]. 이상적인 CNT의 표면에는 댕글링 본드(dangling bond)가 없기 때문에 강유전체막과 CNT 사이의 계면 반응이 작다는 것은 잘 알려져 있다[8, 9]. 그러나 실험에서 소스 전극과 드레인 전극 사이에 단일 CNT 성장을 달성하는 것은 매우 어렵습니다. 게다가, CNT 나노와이어 네트워크 FeFET의 온/오프 전류 비율은 일반적으로 CNT 네트워크에서 금속 나노튜브가 혼합되어 있기 때문에 낮다[7, 10]. Song et al. 앞서 언급한 문제를 해결하기 위해 FeFET의 채널 재료로 패턴화된 다중벽 CNT 마이크론 너비 스트라이프를 사용하는 것이 제안되었지만 CNT FeFET의 피로 내구성 성능 및 물리적 특성 유지가 명확하지 않다[9]. 다중벽 CNT(MWCNT)와 비교하여, 단일벽 CNT(SWCNT)는 원통형 튜브로 형성된 이음매 없이 포장된 단일 그래핀 시트입니다[11]. 또한, 강유전성 박막 제조 시 제어하기 어려운 일부 결함(예:이온 불순물, 산소 결손, 전위)이 있습니다[12,13,14]. 이러한 결함의 확산은 온/오프 전류 비율, 피로 내구성 성능 및 데이터 유지에 영향을 줄 수 있습니다[15, 16]. 따라서 HfO₂를 주입합니다. SWCNT-FeFET의 층은 점 결함의 확산을 차단하는 데 사용되며 BNT와 Si 사이의 불일치를 완화하여 BNT 필름의 전위 밀도를 줄이기 위해 버퍼 층으로 사용할 수 있습니다. SWCNT-FeFET의 결함을 제어하고 온/오프 전류비, 피로 특성 및 데이터 보존을 크게 향상시킬 수 있습니다.

이 연구에서 우리는 채널 층으로 규칙적이고 정렬된 마이크론 너비 스트라이프 패턴 네트워크 SWCNT, 절연체로 BNT 필름 및 HfO₂를 제작했습니다. 하부 게이트형 FeFET를 제조하기 위한 결함 제어층으로 박막을 사용하고 양호한 온/오프 전류비, 피로 특성 및 데이터 유지를 얻을 것으로 기대됩니다. SWCNT-FeFET의 구조와 준비 절차는 그림 1a, b에 나와 있습니다. 또한 비교를 위해 MWCNT-FeFET도 제작했습니다.

<그림><그림>

아 스트라이프 패턴 SWCNT-FeFET의 구조 다이어그램. ㄴ 스트라이프 패턴 SWCNT/BNT/HfO₂의 흐름도 -FeFET 제작

방법

FeFET 장치에서 패턴화된 SWCNT 마이크론 너비의 스트라이프는 채널로 사용되며 BNT 박막은 게이트 유전체로 사용되며 HfO₂ 막은 결함 제어층으로 사용되고 고농도 n형 Si는 FeFET의 기판과 백 게이트 전극으로 동시에 사용됩니다. n형 Si의 저항은 0.0015Ω cm입니다. HfO₂ 파장이 248nm인 KrF 엑시머 레이저를 사용하여 펄스 레이저 증착(PLD)에 의해 Si 기판에 증착되었으며 두께는 약 20nm입니다. BNT 필름은 초기 연구[17]에서 설명한 대로 PLD에 의해 Si 기판에 증착되었으며 그 두께는 약 300nm입니다. 깨끗한 아크 방전 SWCNT는 Chengdu Institute of Organic Chemistry(Chinese Academy of Science)에서 구입했습니다. 길이와 직경은 각각 10–30μm 및 0.8–1.1nm입니다. 순도는 85%로 SWCNT가 지배적입니다. SWCNT는 증발 유도 자기 조립을 사용하여 제작되었습니다. SWCNT/수분산액의 농도는 100mg/L이었고, 증발 속도는 9-21μL/min 범위에서 다양했으며 온도는 80°C였습니다. 용매 증발 온도를 제어하여 BNT/HfO₂의 고액-증기 계면에 잘 정의된 스트라이프 패턴을 형성했습니다. /Si 기판. 다음으로, 마스크 플레이트를 사용하여 이온빔 스퍼터링에 의해 SWCNT/BNT 상에 Pt 소스/드레인 전극을 증착하였다. 금속 마스크 판의 총 면적은 1 cm² 입니다. , 소스와 드레인의 면적은 모두 4.5mm² 입니다. . 채널 길이(L ) 및 너비(W )의 FeFET는 각각 200 및 1500μm입니다. 제작된 SWCNT-FeFET는 소스/드레인 전극과 SWCNT 사이의 접촉을 개선하기 위해 500°C에서 2시간 동안 포스트 어닐링을 수행했습니다. 보고된 바와 같이 CNT 네트워크는 금속 및 반도체 나노튜브를 모두 포함합니다. CNT 네트워크는 큰 게이트 전압을 적용하여 처리되었습니다. 금속성 SWCNT 나노튜브는 거의 제거되었고 반도체 SWCNT 나노튜브는 부하 전류에 의해 남아 있었다[18]. 비교하기 위해 SWCNT/SiO₂ -FET는 동일한 방법 및 조건으로 제작되었습니다. MWCNTs/BNT-FET도 초기 연구[9]에서 설명한 방법으로 제작되었습니다. FeFET 특성은 Keithley 4200 매개변수 분석기를 사용하여 측정되었습니다. FeFET의 히스테리시스 루프와 분극은 RT Precision Workstation 강유전체 분석기를 사용하여 측정되었습니다.

결과 및 토론

그림 2는 패턴화된 SWCNT 스트라이프의 일반적인 SEM 이미지를 보여줍니다. 패턴화된 규칙적이고 정렬된 SWCNT가 그림 2a에 표시됩니다. 융기되고 밝은 줄무늬는 SWCNT 줄무늬이며, 그림 2b의 줄무늬 확대 이미지에서 볼 수 있듯이 SWCNT가 조밀하게 패킹되어 있습니다. 함몰 및 회색 줄무늬는 노출된 BNT/HfO₂에 해당합니다. SWCNT 미크론 폭 스트라이프 사이의 공간에 있는 /Si 기판. SWCNT 전구체 용액의 농도는 증발에 따라 증가하고 그라데이션 줄무늬의 너비는 SWCNT/물 액체 수준이 감소함에 따라 약간 증가합니다. BNT/HfO₂ Si 기판의 필름 및 BNT 필름은 그림 2c, d에 나와 있습니다. BNT/HfO₂의 표면이 필름은 많은 결정립과 기공으로 구성되어 있어 BNT 필름보다 더 큰 거칠기를 나타냅니다. 그림 2e는 P를 보여줍니다. -V BNT 및 BNT/HfO₂의 히스테리시스 루프 영화, 각각. BNT/HfO₂의 히스테리시스 루프의 편광 필름은 동일한 전압에서 BNT 필름보다 큽니다. 비록 HfO₂ 층 공유 BNT/HfO₂ 전압의 일부 필름, BNT 필름은 여전히 Si 기판에서 성장한 BNT보다 더 나은 편광 값을 보여줍니다. HfO₂에서 성장한 BNT 필름 때문입니다. 층은 Si 기판에 직접 성장한 BNT 필름보다 확산 결함 농도가 낮습니다.

<그림><그림>

아 SWCNT/BNT/HfO₂에서 패턴화된 SWCNT 스트라이프의 SEM 현미경 사진 -FeFET. ㄴ SWCNT의 그리드 구조. ㄷ BNT/HfO₂에 대한 표면의 SEM 이미지 영화. d BNT 필름 표면의 SEM 이미지. 이 BNT 및 BNT/HfO₂의 히스테리시스 루프 영화

그림 3은 출력 특성(I _DS -V _DS ) SWCNT/BNT/HfO₂의 곡선 -FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET. SWCNT/BNT/HfO₂ -FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET는 전형적인 p를 나타냅니다. - 낮은 소스-드레인 전압에서 채널 트랜지스터 특성 및 포화된 소스-드레인 전류. 채널 길이(L )는 200μm입니다. SWCNT 미크론 폭 스트라이프 패턴으로 인해 SWCNT/BNT/HfO₂의 "온" 전류 및 채널 컨덕턴스 -FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET 모두 3.8×10⁻² 에 도달 A, 3.6×10⁻² A 및 9.5×10⁻³ S, 9×10⁻³ V의 S _GS =− 4 V 및 V _DS =4 V. 그러나 SWCNT/BNT/HfO₂ -FeFET는 SWCNT/BNT-FeFET보다 더 낮은 오프 전류를 나타내며 SWCNT/BNT-FeFET는 V에서 심각한 누설 전류 현상을 나타냅니다. _GS =0 V_. 이것은 HfO₂ 때문입니다. 층은 결함의 확산을 효과적으로 차단합니다.

<그림><그림>

SWCNT/BNT/HfO₂의 출력 특성 곡선 -FeFET(letf) 및 SWCNT/BNT-FeFET(오른쪽)

전달 특성(I _D -V _G ) SWCNT/BNT/HfO₂ - L이 있는 FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET =200μm 및 V _DS =0.6 V는 그림 4에 나와 있습니다. 문턱 전압(V _번째 ) SWCNT/BNT/HfO₂ -FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET는 V입니다. _번째 =0.2 V 및 V _번째 =0.8 V(I _디 )^1/2 대 V _GS 포화 영역에서 작동하는 트랜지스터의 곡선. 채널 이동성(μ _토 )는 (I _DS )^1/2 대 V _GS 곡선 및 전계 효과 트랜지스터의 포화 영역 표현 [19],

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

여기서 ε _r 는 상대 유전율이고 t _인 는 BNT 두께입니다. 상대 유전 상수(ε _r ) BNT 필름의 350은 HP4156 매개변수 분석기로 1MHz에서 측정됩니다. μ _토 SWCNT/BNT/HfO₂ -FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET는 395 및 300cm² 입니다. /V s. 그림 5는 I를 보여줍니다. _DS –V _GS 제작된 SWCNT/BNT/HfO₂의 대수 전달 곡선 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET 및 SWCNT/SiO₂ /HfO₂ - 이중 스위프 모드의 FET. 게이트 전압 스위프는 V에서 수행되었습니다. _DS 0.6V 및 V에서 _GS − 범위 7 ~ 4V, − 6 ~ 3V 및 - 4 대 1 V. 나 _DS SWCNT/BNT/HfO₂의 온/오프 비율 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET 및 SWCNT/SiO₂ /HfO₂ -FET는 2 × 10⁵ 입니다. , 2 × 10⁴ 및 2.3 × 10² V에서 _GS − 범위 7~4 V. 나 _DS SWCNT/BNT/HfO₂의 온/오프 비율 -FeFET는 MWCNT/BNT-FeFET[9] 및 SWCNT/BNT-FeFET보다 높습니다. HfO₂ 때문입니다. 결함 제어층은 SWCNT-FeFET에 주입되어 결함 확산을 효과적으로 차단합니다. 나를 위해 _DS -V _GS 특성, 우리는 BNT 필름의 강유전성 분극 반전으로 인해 시계 방향 히스테리시스 루프를 얻었고 SWCNT/BNT/HfO₂의 얻은 메모리 창(MW) 너비 -FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET는 약 4.2 및 4.1V로 CNT 네트워크를 채널 레이어로 사용하는 CNT/PZT-FeFET(1.1V)보다 큽니다[20]. 더 큰 MW는 이 FeFET 시스템에서 양호한 유전 결합을 나타냅니다. 그림 4c에서 SWCNT/SiO₂의 획득한 창 너비를 볼 수 있습니다. /HfO₂ -FET는 약 1V이며, 이는 주로 SWCNT의 결함 밀도에 의해 발생합니다[21]. 이러한 결과는 강유전성 FeFET의 메모리 창 히스테리시스(4.2V)가 BNT 분극과 SWCNT 결함의 밀도 모두에 의해 발생함을 시사합니다.

<그림><그림>

선형 전달 특성 곡선 및 적합 I _DS ^1/2 -V _G V에서의 곡선 _DS =0.6 SWCNT/BNT/HfO₂의 스트라이프 패턴의 경우 -FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET

<그림><그림>

a 패턴의 줄무늬의 대수 전달 곡선 SWCNT/BNT/HfO₂ -FeFET, b SWCNT/BNT-FeFET 및 c SWCNT/SiO₂ /HfO₂ - V에서의 FET _DS =0.6 V_. 화살표는 반시계 방향 히스테리시스 루프를 나타내고 실선은 메모리 창의 너비를 나타냅니다.

그림 6a는 BNT/HfO₂의 누설 전류-전압 특성을 보여줍니다. 및 BNT 필름. 보시다시피 누설 전류는 1.2 × 10⁻⁹ 입니다. A 및 1.5 × 10⁻⁸ BNT/HfO₂의 경우 A 전압이 - 3 V까지 도달할 때 각각 BNT 필름. BNT/HfO₂의 누설 전류-전압 특성 비교를 위해 I -V 데이터. 쇼트키 접점의 누설전류 특성은 Ln(J ) =b (V + V _바이 ^* )^1/4 [9, 22, 23] 및 BNT/HfO₂에 대한 해당 플롯 전압 범위가 0~3.8V인 BNT 필름이 그림 6b에 나와 있습니다. 내장 전압 V _바이 ^* 기울기 b 공식에서 실험 I-V를 피팅하여 얻을 수 있습니다. 데이터. 계산된 공간 전하 밀도 N _에프 깊은 트래핑 센터와 산소 결손으로 구성된 [22] , 약 2.132 × 10¹⁷ cm⁻³ 및 1.438 × 10¹⁹ cm⁻³ BNT/HfO₂용 및 BNT 필름, 각각. Si 기판에 증착된 BNT 막은 계면 장벽 높이의 공식에 따라 n형 반도체임을 나타냅니다[24]. 이것은 HfO₂의 효과와 일치합니다. I의 오프 전류 감소에 _D -V _G 그림 4a, b의 곡선은 n형 BNT가 전자를 생성하기 때문에 음의 전압에서 오프 전류를 증가시킵니다. BNT 막 전도는 벌크 제어 메커니즘을 보여 n-형 BNT가 주로 전도성 결함이나 불순물에 의해 유도됨을 의미합니다[9, 22].

<그림><그림>

아 BNT/HfO₂의 누설전류-전압 특성 및 BNT 필름. ㄴ BNT/HfO₂의 누설 전류-전압 특성의 피팅 곡선 및 BNT 필름. ㄷ SWCNT/BNT/HfO₂의 피로 내구성 성능 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET 및 MWCNT/BNT-FeFET

그림 6c는 SWCNT/BNT/HfO₂의 피로 내구성 성능을 보여줍니다. - V에서 100KHz 바이폴라 펄스가 있는 FeFET, SWCNT/BNT-FeFET 및 MWCNT/BNT-FeFET _GS − 범위 7~4V. FeFET의 피로 내구성 성능은 반복되는 스위칭 주기로 스위칭 가능한 분극의 손실에서 나타납니다. 비휘발성 분극 값(P _nv )는 방정식 P에 의해 얻어진다. _nv =피 _r ^* − 피 _r ^{^} 그런 다음 P로 정규화 _nv /피 _r0 ^* [25], 여기서 P _r ^* FeFET의 잔여 분극의 2배, P _r ^{^} 다음 펄스 후 편광 손실, P _r0 ^* FeFET의 초기 잔여 분극의 두 배입니다. 정규화된 P의 부분 손실 _nv 10¹¹ 이후 SWCNT/BNT/HfO₂의 경우 약 3, 10 및 25%인 FeFET의 읽기/쓰기 스위칭 주기가 관찰됩니다. -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET 및 MWCNT/BNT-FeFET 각각. BNT가 하부 전극 Si에서 직접 성장하는 경우 SWCNT/BNT-FeFET의 피로 성능은 결정립계를 통한 BNT와 Si 기판 사이의 확산으로 인해 매우 나쁩니다[12,13,14]. 이 결과는 HfO₂ 층은 Si 기판의 확산을 효과적으로 차단하고 이온 불순물을 감소시켜 우수한 피로 내구성 성능을 제공합니다.

NVRAM 애플리케이션에 대한 FeFET의 장치 신뢰성을 평가하기 위해 데이터 보존을 조사했습니다. 그림 7은 SWCNT/BNT/HfO₂의 소스-드레인 전류 유지 곡선을 보여줍니다. -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET 및 MWCNT/BNT-FeFET 실온에서. V의 전압 펄스 _GS =− 4 V 및 V _GS =1 V at V _DS =1 V가 게이트 및 소스-드레인 전극에 적용되어 FeFET의 전압을 각각 오프 또는 온 상태로 전환합니다. 측정된 온/오프 상태 전류 비율은 거의 3 × 10⁴ 입니다. , 7 × 10³ 및 6 × 10² SWCNT/BNT/HfO₂용 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET 및 MWCNT/BNT-FeFET 10⁶ 이후 s, 각각. 1 × 10⁶ 의 유지 시간 후에 온/오프 상태 전류 비율(3.2%)에 큰 손실이 없습니다. SWCNT/BNT/HfO₂용 -FeFET. 곡선을 10⁸ 로 외삽하여 SWCNT/BNT/HfO₂용 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET 및 MWCNT/BNT-FeFET, 온/오프 상태 전류 비율은 거의 1.9 × 10⁴ , 3 × 10³ 및 2 × 10² , 각각. SWCNT/BNT/HfO₂의 온/오프 상태 비율 -FeFET는 여전히 메모리의 기능에 대해 충분히 높아 현재 메모리 장치의 바람직한 유지 특성을 보여줍니다. 유지는 게이트 누설 전류의 영향을 받습니다[26, 27]. 긴 체류 시간은 HfO₂를 나타냅니다. 결함 제어 층은 오프 상태 전류와 게이트 누설 전류를 효과적으로 감소시켜 온/오프 전류 비율을 안정화합니다. 또한 표 1에서 강유전체 기반 FET와 다른 CNT를 비교하여 제작된 SWCNT/BNT/HfO₂ -이 연구에서 FeFET는 높은 온/오프 전류 비율, 우수한 피로 내구성 성능 및 데이터 보존을 제공할 수 있습니다.

<그림><그림>

SWCNT/BNT/HfO₂의 보유 특성 -FeFET, SWCNT/BNT-FeFET 및 MWCNT/BNT-FeFET 실온에서

<그림>

결함이 장치의 물리적 특성에 미치는 영향을 더 자세히 이해하기 위해 P -이 히스테리시스 루프 및 I _DS -V _GS SWCNT/BNT/HfO₂에 대한 곡선 -FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET는 이전 모델을 사용하여 결함으로 인한 비대칭 전하를 고려하여 시뮬레이션되었습니다[12, 28]. 결함으로 인한 비대칭 전하는 P를 시뮬레이션하는 것으로 간주됩니다. -이 히스테리시스 루프 및 I _DS -V _GS BNT 곡선, 대칭 전하는 BNT/HfO₂의 곡선을 시뮬레이션하는 것으로 간주됩니다. . 시뮬레이션 결과는 Fig. 8a, b에 나타나 있으며, 이는 Fig. 각각 2e 및 5a, b. 시뮬레이션 결과는 HfO₂를 나타냅니다. 층은 결함으로 인한 강유전체 필름의 비대칭 전하를 효과적으로 감소시켜 오프 상태 전류를 더욱 증가시킵니다. 따라서 강유전성 박막의 결함이 HfO₂에 의해 효과적으로 제어되었음을 입증할 수 있다. 결함 제어 계층.

<그림><그림>

a 시뮬레이션 피 -이 BNT 및 BNT/HfO₂의 히스테리시스 루프 영화 및 b 나 _DS -V _GS SWCNT/BNT/HfO₂에 대한 곡선 -FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET

결론

요약하면, HfO₂의 효과 강유전성 박막의 결함이 HfO_{2 결함 제어 레이어로. HfO₂의 얇은 결함 제어 층으로 인해 , 조작된 SWCNT/BNT/HfO₂ -FeFET는 1.2 × 10⁻⁹
의 낮은 누설 전류를 나타냅니다. A 전압이 - 3 V에 도달하면 2 × 10⁵
의 큰 온/오프 전류 비율 , V _번째 0.2V 및 μ 395cm²
/V s. 또한 SWCNT/BNT/HfO₂ -FeFET는 얇은 HfO₂에 기인한 우수한 피로 내구성 성능과 우수한 데이터 유지력을 나타냈습니다. 결함 제어 계층. 히스테리시스 루프 P -이 그리고 나 _DS -V _GS SWCNT/BNT/HfO₂에 대한 곡선 -FeFET 및 SWCNT/BNT-FeFET는 결함이 장치의 물리적 특성에 미치는 영향을 이해하기 위해 시뮬레이션되었습니다. 시뮬레이션 결과는 비대칭 전하가 SWCNT/BNT/HfO₂에서 감소될 수 있음을 추가로 보여주었습니다. -HfO₂에 의한 FeFET 결함을 제어합니다.}

약어

BNT:: (Bi,Nd)₄ Ti₃ O₁₂
FeFET:: 강유전체 전계 효과 트랜지스터
MWCNT:: 다중벽 CNT
PLD:: 펄스 레이저 증착
SWCNT:: 단일벽 탄소나노튜브

정공 수송층으로 PEDOT:PSS를 처리하는 고극성 알코올 용매를 사용한 고휘도 페로브스카이트 발광 다이오드 AlGaAs/GaAs 이종접합을 사용한 GaAs 나노와이어 핀 접합 어레이 태양전지 최적화

나노물질