home Productietechnologie Fabricage-apparatuur
Industriële fabricage
Industrieel internet der dingen | Industriële materialen | Onderhoud en reparatie van apparatuur | Industriële programmering |
home  MfgRobots >> Industriële fabricage >  >> Industrial materials >> Nanomaterialen

Verbeterde ferro-elektrische prestaties van met Mg gedoteerde LiNbO3-films door een ideale atoomlaag afgezet Al2O3-tunnelschakellaag

Abstract

Dubbellaagse structuren samengesteld uit 5% Mg-gedoteerde LiNbO3 monokristallijne films en ultradun Al2 O3 lagen met een dikte variërend van 2 tot 6 nm zijn vervaardigd met behulp van ion-slicing-techniek in combinatie met atomaire laagafzettingsmethode. De meetresultaten van de tijdelijke domeinschakelstroom laten zien dat de P-V hysteresislussen zijn symmetrie in type II-modus met een enkele spanningspuls per cyclus, wat kan worden toegeschreven aan het ingebouwde elektrische veld gevormd door asymmetrische elektroden en compensatie van een intern afdrukveld. Trouwens, de ingelegde Al2 O3 , als een ideale tunnelschakellaag, gaat aan tijdens ferro-elektrisch schakelen, maar sluit tijdens het na- of niet-schakelen onder de aangelegde pulsspanning. De Al2 O3 laag blokkeert de nadelige effecten zoals injectie van door-elektrodelading en verbetert de vermoeidheidsweerstandseigenschappen van met Mg gedoteerd LiNbO3 ferro-elektrische condensatoren. Deze studie biedt een mogelijke manier om de betrouwbaarheidseigenschappen van ferro-elektrische apparaten in de niet-vluchtige geheugentoepassing te verbeteren.

Achtergrond

Lithiumniobaat (LN) eenkristalfilms zijn vanwege hun uitstekende fysieke eigenschappen [1,2,3,4,5,6] op grote schaal gebruikt in akoestische oppervlaktegolfoscillatoren, elektro-optische modulatoren en gegevensopslag op basis van de domeinwisseling. Onlangs is lithiumniobaat-op-isolator (LNOI) op waferschaal gefabriceerd door middel van ionenimplantatie en waferbindingstechnologie. . Deze technologie maakt een grote verscheidenheid aan substraten mogelijk, zoals LN, silicium en zelfs het CMOS-circuit [3, 7,8,9]. De imprint hysteresis-lus is echter afkomstig van voorkeursoriëntaties en het slechte uithoudingsvermogen van vermoeidheid van LN-films, als gevolg van ladingsinjectie via de elektrode, destabiliseren het behoud van polarisatieomkering, wat hun toepassing in niet-vluchtige geheugenapparaten beperkt [10,11,12 ,13]. De voorkeursoriëntaties hadden betrekking op passieve grensvlaklagen gevormd tussen ferro-elektrische lagen en elektroden, die een sterk depolarisatieveld in de tegenovergestelde richting van polarisatie kunnen induceren. Het kan de geïnjecteerde ladingen verdrijven na het verwijderen van de aangelegde spanning of tijdens intermitterende tijd van de opeenvolgende pulsbelasting [11, 12]. Aan de andere kant, vanwege de aanwezigheid van passieve grenslagen, zal het vermoeiingsvermogen van LN-films worden verbeterd door de ladingsinjectie van de bij-elektrode na ferro-elektrische omschakeling te blokkeren. Het vermoeidheidsproces versnelt echter als de tijd van de toegepaste pulsperiodiciteit wordt verkort tot onder 0,5 s. Dit wordt beschreven door de bijdrage van passieve grenslagen van de accumulatieve ruimtelading bij bepaalde frequenties [11]. Het is gemeld dat een ingelegde Al2 O3 diëlektrische film kan spelen als een tunnelschakelaar in de diëlektrische/ferro-elektrische dubbellaagscondensator, bijvoorbeeld in Al2 O3 /Pb (Zr,Ti)O3 , en Al2 O3 /Mn-gedoteerde BiFeO3 dubbellaagse structuren [14,15,16]. De Al2 O3 tunnelschakelaar gaat aan als geleider tijdens polarisatieomschakeling, maar schakelt uit als isolator om de ladingsinjectie via de elektrode te blokkeren na voltooide polarisatieomschakeling of geen schakelhandeling [14]. Daarom kan het de ongewenste geïnjecteerde ladingen en polarisatie-terugschakeling voorkomen en vervolgens de betrouwbaarheid van de diëlektrische / ferro-elektrische dubbelgelaagde condensator verbeteren.

In dit artikel hebben we 200 nm dikke Z-cut 5% Mg-gedoteerde congruente LN monokristallijne dunne films gefabriceerd en vervolgens ultradunne Al2 afgezet. O3 lagen met verschillende diktes (2-6 nm) op LN om dubbellaagse condensatorstructuren te vormen. De Al2 O3 films als tunnelschakellagen kunnen het uithoudingsvermogen van vermoeidheid verbeteren. Asymmetrische elektroden (Au/Pt-elektroden) zijn ontworpen om een ​​ingebouwd elektrisch veld te vormen tegen het depolarisatieveld dat wordt geïnduceerd door de passieve grenslagen. De elektrische resultaten vertonen de symmetrie van de hysteresislus die in de loop van de tijd wordt overgedragen van de domeinschakelstroomtransiënten. Ondertussen bewijst het ook dat de ingelegde Al2 O3 laag speelt als een tunnelschakellaag, die kan verschijnen tijdens het ferro-elektrisch schakelen en sluiten na voltooide polarisatieomschakeling of geen schakelhandeling.

Methoden

De Z-cut 5% Mg-gedoteerde congruente LiNbO3 (LN) dunne éénkristalfilms werden van hun bulkkristallen afgepeld met behulp van een ionische implantatie- en wafelbindingstechnologie, zoals elders beschreven [10, 11, 17, 18]. In detail werd de oppervlaktelaag van een LN-bulkkristal eerst geïmplanteerd met He-ionen in de gewenste diepte door de implantatie-energie en de dosis geïnjecteerde ionen te regelen, en vervolgens werden 5 nm Cr-adhesielaag en 100 nm Pt-bodemelektrodelaag afgezet door DC sputteren (KJ Lesker PVD-75). De oppervlaktelaag was gehecht aan een ander LN-substraat bedekt met 1 μm dik SiO2 bufferlaag en afgesneden. De dikte van LN-film wordt geregeld tot ongeveer 200 nm door chemisch-mechanisch polijsten. Vervolgens ultradun Al2 O3 films met diktes (d ) van 2-6 nm werden gedeponeerd door ALD (TFS-200, Beneq, Finland). In detail zijn de voorlopergassen diethylzink en gedeïoniseerd water. Ze werden afwisselend in de reactiekamer gepulseerd met een pulstijd van 50 ms en gescheiden door spoelstappen met argon gedurende 2 s bij een reactietemperatuur van 200 °C [19]. Ten slotte, bovenste Au-vierkante elektroden met oppervlakten van 1,0 × 10 −4 cm 2 werden afgezet door een metalen ondiep masker.

De diktes van Al2 O3 lagen afgezet op de Si-wafel als contrast werden gemeten met een spectroscopisch ellipsometriesysteem (GES-5E, SOPRA, Courbevoie, Frankrijk). De filmstructuur werd geanalyseerd door de röntgendiffractie (XRD) (Bruker D8 Advance) in een θ-2θ scanmodus met Cu K α straling en cross-sectionele scanning elektronenmicroscopie (SEM, Sigma HD, Zeiss). Om de domeinomschakelingsdynamiek te bestuderen, werden verschillende vierkante pulsen met een stijgtijd van 10 ns toegepast op de bovenste elektroden met behulp van een enkelkanaals Agilent 8114A-pulsgenerator, waarbij de onderste elektroden werden geaard. In het circuit is de domeinschakelstroom (I sw ) over in-serie interne weerstanden van alle instrumenten met de totale weerstand werd gecontroleerd met behulp van een LeCroy HDO6054-oscilloscoop. De waarden van beide uitgangsweerstanden van de pulsgenerator R W en de ingangsweerstand van de oscilloscoop R O zijn respectievelijk 50 Ω.

Resultaten en discussie

Afbeelding 1a toont het XRD-resultaat van de dunne LN-film op een Pt/Cr/SiO2 /LN-substraat. De film heeft sterke (00 l ) reflecties geïndexeerd in de rhomboëdrische fasesymmetrie. Daarnaast zijn er ook enkele diffractiepieken van Pt- en Cr-films gemarkeerd in figuur 1a. De afwezigheid van andere pieken bevestigt de hoge kristalliniteit van de LN-film zonder faseonzuiverheid. Het dwarsdoorsnede-SEM-beeld van het monster getoond in Fig. 1b toont de duidelijke interfacestructuur met LN, Pt, Cr en SiO2 lagen stapelen.

een Het XRD-patroon en b doorsnede SEM-beeld van de Z-cut 200 nm dikke LN/Pt/Cr/SiO2 /LN-film

Om het kinetische mechanisme van domeinomschakeling te bestuderen, zijn twee soorten pulsspanningsmodi ontworpen, zoals duidelijk wordt weergegeven in Fig. 2a en b [11]. Type I is geconfigureerd als dubbele pulsen in tegengestelde polariteiten met een tijdsinterval van 5 s. De eerste puls wordt toegepast om de opwaartse polarisatietoestand om te schakelen die naar de bovenste elektrode wijst en de tweede kan de neerwaartse polarisatie omschakelen. Echter, beperkt door de programmeertijd van een enkelkanaals pulsopwekking, is het minimale tijdsinterval te lang om de domeinschakelstroom te vangen die door de tweede puls wordt aangeroepen, vanwege de geprefereerde domeinoriëntatie. Om de transiënte domeinschakelstroom op te vangen, wordt een enkele puls die een negatieve basislijn-DC-bias overlapt voorgesteld in type II, waarbij de initiële negatieve DC-bias de opwaartse polarisatietoestand kan schakelen en de positieve puls het domein naar beneden zet. Hier wordt de breedte van de twee type pulsen ingesteld op 1 μs.

De schets van de twee sequentiepulsspanningsmodi met a type I (dubbele pulsen in twee tegengestelde polariteiten) en b type II (een enkele schakelpuls overlapt een negatieve DC-bias). Stroomtransiënten schakelen tussen domeinen onder verschillende V toegepast op een maagdelijk monster in c typ I en d type II-modi, waarbij de inzetstukken de lineaire pasvorm weergeven van de afhankelijkheid van de plateaus van domeinschakelstroom op V . P -V hysteresislussen onder verschillende V overgedragen van domein schakelen huidige transiënten in e typ I en f type II. Schematisch diagram van de Au/LN/Pt-structuur en de richtingen van het ingebouwde elektrische veld E b en depolarisatieveld E d in de inzet van e

Afbeelding 2c en d tonen de domeinomschakeling huidige transiënten versus tijd (t ) van Au/LN/Pt-structuurmonster onder verschillende toegepaste spanningen (V ) in respectievelijk type I- en type II-modi. De plateaus van domeinschakelstroomtransiënten worden waargenomen die smal in breedte maar in hoogte toenemen met V toenemend na de initiële laadstroom van de condensator bij 30 n. De hoogte van het plateau in twee modi vertoont beide een lineair verband met de toename van V en de resultaten zijn samengevat in de inzetstukken door de ononderbroken aanpassing van de gegevens [11, 13]. De dwangspanning (V c ) waarde in de twee modi kan worden afgeleid tot ongeveer 24,7 V van de lijnonderschepping met de spanningsas. Na het beëindigen van de schakelpuls, treedt de ontlaadstroom van de condensator op na 1 μs, wat suggereert dat de voorkeursdomeinoriëntatie de opwaartse polarisatietoestand is die naar de bovenste elektrode wijst.

P -V hysteresislussen onder verschillende toegepaste spanningen in twee typemodi kunnen rechtstreeks worden overgedragen van de overeenkomstige domeinschakelstroomtransiënten in figuur 2c en d, en de resultaten worden getoond in respectievelijk figuur 2e en f [11, 20]. Een bepaalde voorwaartse coërcitiefspanning van ongeveer 25 V onveranderlijk met V wordt verkregen in de twee soorten pulsen. De dwangspanning nadert tot V c geëxtraheerd uit de lineaire I sw -V plot in de inzet van Fig. 2c en d. In tegenstelling tot de niet-gedoteerde LN-film, is de V c is variabel en de waarde is gelijk aan de maximaal aangelegde spanningen [10]. Voor de 5% Mg-gedoteerde LN, de gedefinieerde V c is onveranderlijk met V , zoals weergegeven in Fig. 2e en f. Dit komt omdat de Mg-doping Li-site metaalvacatures en zuurstofvacature-gerelateerde defecten kan genereren, [21,22,23] die ruimteladingen kunnen vasthouden en de degradatietijd van de weerstand over de grensvlaklagen tussen de film en de boven- / onderkant effectief kunnen verkorten elektroden [11]. Daarom overlappen domeinschakelstromen met condensatorlaadstromen bij versnelling van domeinschakelsnelheid met een duidelijke V c , zoals weergegeven in Fig. 2c en d. Echter, beperkt door de pulsgenerator, kan de uitgangsbasislijnspanning in type II-modus niet symmetrisch worden verschoven wanneer de aangelegde pulsspanning wordt verhoogd tot meer dan 32 V. Vergeleken met de opgedrukte lussen langs de positieve spanningsas in figuur 2e, is de symmetrie van de lussen bereikt langs de spanningsas in Fig. 2f, anders dan die in Pt/LiNbO3 /Pt-structuren waarbij de P -V hysterese-lussen in type I of type II zijn gedrukt in de richting van een positieve spanning [11]. De reden van de symmetrische P -V lussen in figuur 2f kunnen worden toegeschreven aan de ontworpen asymmetrische elektroden (hier Au/Pt). De werkfunctie van de Au-elektrode is 5,1 eV, wat iets kleiner is dan die van Pt (5,65 eV) [24]. Er wordt een ingebouwd elektrisch veld opgewekt (E b ) met de richting wijzend van de bovenste elektrode naar de onderste elektrode, weergegeven in de inzet van Fig. 2e. Het depolarisatieveld (E d ) geïnduceerd door de passieve grenslagen heeft de tegenovergestelde richting van E b . De E d kan de polarisatie in zeer korte tijd na het beëindigen van de schakelpuls in type II voor de symmetrische elektroden (Pt/Pt) [11] terugschakelen. In ons experiment, de E b kan de E . gedeeltelijk afschermen d en accumuleer geïnjecteerde ladingen ter compensatie van een intern afdrukveld, [16] wat de terugschakeltijd kan vertragen. Daarom kan het geschakelde domein behouden blijven en zal de terugschakelstroom worden opgevangen door type II-puls. Het tijdsinterval van de twee pulsen met tegengestelde polariteiten in type I-modus is echter te lang. Na de eerste puls werden de gevangen geïnjecteerde ladingen door E b wordt geleidelijk uit de film verdreven door E d voor de komst van de tweede puls in type I [11]. Om de toekenning van het ingebouwde elektrische veld aan de symmetrie van de lussen te bewijzen, heeft Pt/LiNbO3 /Pt symmetrische structuurmonster werd voorbereid en de ingeprinte lussen langs de positieve spanningsas werden rechtstreeks overgebracht van de overeenkomstige domeinschakelstroomtransiënten in aanvullend bestand 1:Afbeelding S1a bij positieve puls met spanningen / breedtes van 30-40 V / 500 ns, getoond in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S1b.

Afbeelding 3a en b tonen de domeinschakelstroom (I sw ) transiënten versus tijd (t ) van LN en Al2 O3 (6 nm)/LN-monsters onder verschillende toegepaste spanning (V ) in type I-modus. Na het plateau van domeinomschakeling, de schakelstroom I sw vervalt en wordt gegeven door:[13]

$$ {I}_{\mathrm{sw}}={I_{\mathrm{sw}}}^0\exp \left(-\frac{t-{t}_0}{R_{\mathrm{L} }{C}_{\mathrm{i}}}\right)\ \left({t}_0\le t\le {t}_{\mathrm{sw}}\right) $$ (1)

waar t 0 , t sw , R L , en C ik zijn respectievelijk de begintijd van domeinomschakeling, de voltooiingstijd van domeinomschakeling, de totale weerstand van alle in-serie weerstanden in het circuit en de grensvlakke niet-ferro-elektrische capaciteit. Dit beschrijft het ladingvangeffect dat kan worden gemodelleerd als een passieve grenslaag in serie met een ideale ferro-elektrische laag. Ik sw 0 wordt gedefinieerd als schakelstroom en wordt gegeven door:

$$ {I_{\mathrm{sw}}}^0=\frac{V-{V}_{\mathrm{fc}}}{R_{\mathrm{L}}} $$ (2)

een , b Ik sw -t afhankelijkheden in type I onder verschillende V toegepast op de Al2 O3 /LN dubbellaag met de Al2 O3 dikte d = 0 en 6 nm, respectievelijk, aangebracht door een reeks evenwijdige stippellijnen naar Vgl. (1). c De plateaus van domeinschakelstroom als functie van de aangelegde spanning met verschillende Al2 O3 laagdiktes, waarbij de ononderbroken lijnen de beste pasvorm van de gegevens voor Vgl. (2). d De Al2 O3 -laagdikte d afhankelijkheid van de dwangspanning (V c ) geëxtraheerd uit c . e , v De geëxtraheerde grensvlakcapaciteit C ik en contactweerstand R C als functies van de Al2 O3 laagdikte d

Tijdens domeinomschakeling wordt de op de ferro-elektrische laag aangelegde spanning vastgesteld op de coërcitiefspanning V fc , en de extra spanning (V -V fc ) wordt toegepast op R L . R L omvatte ook de parasitaire weerstand van het circuit (R P ) en contactweerstand (R C ) tussen de film en elektroden; vandaar, R L = R O + R W + R P + R C . Het vervallen deel van de schakelstroomtransiënten versus tijd kan worden aangepast door Vgl. (1). De tijdconstante R L C ik kan worden geschat uit de helling van de aangebrachte lijnen. Afbeelding 3c toont I sw 0 -V plots met verschillende Al2 O3 diktes. R L en V C werden geschat vanaf de hellingen en de X -as snijpunt van de lineair ingerichte lijnen. Het is te zien dat de V C wordt lineair verhoogd met toenemende Al2 O3 dikte d , zoals weergegeven in Fig. 3d. Hier, de C ik waarden werden geschat als de foutgrenzen bij elke V in afb. 3e [13]. De resultaten laten zien dat C ik waarde bijna constant gehouden (1,4 ± 0,2) nF met toenemende Al2 O3 laagdikte van 0 tot 6 nm.

Om R . te berekenen C , zijn de bovenste en onderste elektroden kortgesloten, waardoor de R . kan worden verkregen P (~ 2 Ω) met verschillende toegepaste spanningen, weergegeven als de circuitkalibratie door de geopende symbolen in Fig. 3c. Daarom is de R C overeenkomend met d wordt berekend en het resultaat wordt getoond in Fig. 3f. R C neemt lineair toe van 3 ± 2.5 Ω bij d = 0 tot 55 ± 10 Ω bij d = 6 nm. De bijna d -onafhankelijke grote C ik waarden suggereren dat de Al2 O3 laag werkt als een serieweerstand tijdens domeinomschakeling. Dit betekent dat de Al2 O3 tunnelschakelaar was ingeschakeld tijdens FE-schakeling.

Om de totale capaciteit van de dubbellaag te verkrijgen tijdens FE non-switching, de schakelende (P sw ) en niet-switching (P nsw ) polarisaties versus V met d verhoogd van 0 tot 6 nm onder pulsen in type I-modus worden gemeten en het resultaat wordt getoond in Fig. 4a. Het doel van het kiezen van de type I-puls is om de curve van P . te verkrijgen nsw -V wanneer de richting van de aangelegde spanning consistent is met de polarisatieoriëntatie, waaruit de totale capaciteit (C tot ) van de dubbellaag kan worden berekend uit de relatie, C tot = S ·dP nsw /dV , waar S is het elektrodegebied. Het kan de ladingseffecten volledig uitsluiten door FE-omschakeling in de type I-pulsmodus, maar het gebruik van de type II-modus kan dit effect niet bereiken met de negatieve schakelpolarisatie, die de polarisatie die gepaard gaat met de ladingsinjectie kan terugschakelen. Het verschil tussen P sw en P nsw is 2Pr, zoals weergegeven in Fig. 4a. Het heeft kleingeld met d van 0 tot 6 nm, terwijl de P nsw (open symbolen) signalen zijn te zwak om door een oscilloscoop te worden gecontroleerd. Om de Al2 . te bewijzen O3 tunnelschakellaag die werkt als een diëlektrische condensator, de directe C tot metingen met behulp van een laagfrequente impedantie-analysator bij 100 kHz zonder extra DC-bias werden uitgevoerd en hun resultaten worden getoond in Fig. 4b, die kan worden aangepast door Eq. (3):

$$ \frac{1}{C_{\mathrm{tot}}}=\frac{1}{C_{\mathrm{f}}}+\frac{d}{\varepsilon_0{\varepsilon}_{\mathrm {Al}}S} $$ (3)

waar ε Al is de diëlektrische constante van de Al2 O3 laag en ε 0 is de vacuüm permittiviteit van vrije ruimte. C f en S vertegenwoordigen respectievelijk de capaciteit van de ferro-elektrische laag en het elektrodegebied. Afbeelding 4b toont de lineaire 1/C tot versus d plot, wat suggereert dat de Al2 O3 laag wordt een sterk isolerende diëlektrische film onder niet-schakelende situatie of na schakelen. Hieruit kan worden afgeleid dat C f ≈ 14 pF en ε Al ≈ 7.9 van Vgl. (3). Daarom is de tussengevoegde dunne Al2 O3 laag is bewezen als een diëlektrische condensator. Tijdens FE-niet-schakelen en na FE-schakelen, kan de Al2 O3 tunnelschakelaar sluit als een isolator.

een Het schakelen (P sw ) en niet-switching (P nsw ) polarisaties versus V met d verhoogd van 0 tot 6 nm onder pulsen in type I-modus. b De Al2 O3 -laagdikte d afhankelijkheid van 1/C tot gemeten door een impedantieanalysator bij 100 kHz

Afbeeldingen 5 tonen schematische diagrammen van de Al2 O3 /LN dubbellaagse structuur geschakeld in type I of type II modus. Afbeelding 5a schetst het equivalente aan-uit-circuit van de in-serie weerstanden en condensatoren voor de Al2 O3 tunnel schakelaar. In de begintoestand, zoals weergegeven in figuur 5b, is de polarisatieoriëntatie die de voorkeur heeft, de opwaartse polarisatietoestand die naar de bovenste elektrode wijst. Het ingebouwde elektrische veld dat door de asymmetrische elektroden wordt opgewekt, leidt van de Au-elektrode naar de Pt-elektrode. Bij het aanleggen van de polarisatiespanning vindt de FE-omschakeling plaats. Het is duidelijk dat de spanning omgekeerd evenredig met de capaciteit in het circuit wordt aangelegd. In Al2 O3 /LN dubbellaagse structuur, tijdens de FE-omschakeling heeft de LN-laag een grote capaciteit. Daarom is de meeste externe aangelegde spanning van toepassing op de Al2 O3 laag. Ultradunne Al2 O3 laag wordt geïnjecteerd door elektrodelading. Het schakelt in als een weerstand wanneer de aangelegde spanning de Al2 . overschrijdt O3 tunneldrempel, zoals weergegeven in figuur 5c. Na de voltooiing van FE-omschakeling of in het geval van een niet-schakelende situatie, is de capaciteit van de LN-laag erg klein en de aangelegde spanning op Al2 O3 lager daalt dan de tunneling-drempelspanning. Op dit moment is de Al2 O3 laag speelt als een isolator en schakelt uit, zoals weergegeven in Fig. 5d.

Schematische diagrammen van de Al2 O3 /LN dubbellaagse structuur geschakeld in type I of type II. een De schets van het equivalente aan-uit-circuit van de in-serie weerstanden en condensatoren voor de Al2 O3 tunnel schakelaar. b Initiële geprefereerde polarisatieoriëntatie en ingebouwd elektrisch veld; c De Al2 O3 tunnelschakelaar aanzetten en domeinomschakeling; d De Al2 O3 tunnelschakelaar uitschakelen en polarisatie behouden

Afbeelding 6 toont de afhankelijkheden van het aantal cyclussen van geschakelde polarisaties in Al2 O3 /LN dubbellaagse structuur met de dikte van Al2 O3 variërend van 0 tot 6 nm in type I-modus. De breedte van pulsen is 1000 ns met een periodiciteit van 0,5 s. Het is duidelijk te zien dat het uithoudingsvermogen van de Al2 O3 De structuur van de /LN-dubbellaag wordt geleidelijk verbeterd met het verhogen van de Al2 O3 dikte met meer dan 10 4 cycli van pulsbelasting. De vermoeidheidseigenschap in type II-modus is vergelijkbaar met het resultaat in type I-modus, dat werd getoond in Aanvullend bestand 1:Afbeelding S2 van ondersteunende informatie. Helaas zou de elektrische storing gemakkelijk optreden in de type II-modus na langdurige gelijkspanning met bijna 10 4 cycli van pulsbelasting. De gegevens kunnen worden aangepast met behulp van het model voor het naast elkaar bestaan ​​van domeinwand-pinning en -depinning binnen elke cyclus, zoals getoond door de ononderbroken lijnen in Fig. 6, waar de vermoeidheidsfysica werd toegeschreven aan door-elektrodeladinginjectie [13]. Wanneer de Al2 O3 laag ingevoegd tussen de Au-elektrode en de LN-laag, het kan het door-elektrode-injectieladingspad blokkeren en het uithoudingsvermogen van vermoeidheid verbeteren. In de dubbellaagse structuur moeten enkele problemen echter nader worden overwogen. Bijvoorbeeld door de dikte van Al2 . te vergroten O3 van 0 tot 6 nm, de coërcitiefspanning vergroot van bijna 25 tot 34 V, wat kan worden verminderd door de kwaliteit van de Al2 te verbeteren O3 laag. Eigenlijk een paar atomaire lagen van Al2 O3 met een hoge kwaliteit of minder defect kan de ladingen die door elektroden worden geïnjecteerd effectief blokkeren, wat elders wordt bevestigd door de verwerkingscondities van atomaire laagafzetting (zoals temperatuur en tijd) te optimaliseren [25].

Aantal afhankelijkheden van geschakelde polarisaties in Al2 O3 /LN dubbellaagse structuur met de dikte van Al2 O3 variërend van 0 tot 6 nm onder meer dan 10 4 cycli van pulsbelasting. De breedte van pulsen is 1000 ns in de periodiciteit van 0,5 s

Onlangs zijn in ons volgende onderzoekswerk ferro-elektrische domeinwandgeheugens voorgesteld op basis van de uitwisbare geleidende geladen domeinwanden en de niet-destructieve elektrische uitlezing van de polarisatietoestanden [26, 27]. Grote geleidbaarheid van geladen domeinwanden in lithiumniobaat-eenkristallen wordt verkregen na domeinomschakeling [28, 29]. Daarom zijn de dunnere lithiumniobaat eenkristal dunne films op siliciumsubstraten de veelbelovende materialen voor geïntegreerde ferro-elektrische domein-wandgeheugens en de retentie- en vermoeidheidsbestendigheidseigenschappen kunnen worden verbeterd door het ontwerp van Al2 O3 /lithiumniobaat dubbellaag.

Conclusies

Tweehonderd nanometer LiNbO3 monokristallijne films met 5% Mg-doping werden bereid door ion-slicing van oppervlaktelagen van bulk LN-eenkristallen, en vervolgens de ultradunne Al2 O3 films met diktes variërend van 2 tot 6 nm als tunnelschakelaarlagen werden afgezet op 5% Mg-gedoteerde LN-film om dubbellaagse structuren te vormen door atomaire laagafzetting. De symmetrische P-V hysterese-lussen langs de spanningsas worden waargenomen onder aangelegde pulsspanningen in type II-modus, wat kan worden toegeschreven aan het ingebouwde elektrische veld dat wordt geïnduceerd door asymmetrische elektroden in Au/LiNbO3 /Pt en compensatie van het interne afdrukveld. De domeinschakelstroom (I sw ) transiënten en de overgedragen P-V hysteresislussen onthullen dat het ultradunne Al2 O3 laag speelt als een idee-tunnelschakelaar. Het gaat aan tijdens FE-omschakeling, maar sluit tijdens het niet-schakelen of na FE-omschakeling, waardoor de nadelige interferentie met FE-omschakeling wordt geminimaliseerd. Bovendien wordt het vermoeiingsvermogen van de FE-condensator geleidelijk verbeterd door de dikte van de tunnelschakelaarlaag te vergroten van 2 tot 6 nm. De Al2 O3 /LN dubbellaagse structuur maakt de weg vrij voor het ontwerpen van robuuste ferro-elektrische apparaten om het vermoeidheidsprobleem door injectie van elektrodelading te verlichten.

Afkortingen

ALD:

Atoomlaagafzetting

CMOS:

Complementaire metaaloxide halfgeleider

FE:

Ferro-elektrisch

LN:

Lithiumniobaat

SEM:

Scanning elektronenmicroscopie

XRD:

Röntgendiffractie


Nanomaterialen

  • Metaal
  • Hars
  • vezel
  • Samengesteld materiaal
  • Nanomaterialen
  • Polymeer materialen
  • Biologie
  • kleurstof
  • Kruiden
    1. Geavanceerde atoomlaagdepositietechnologieën voor micro-LED's en VCSEL's
    2. Bipolaire resistieve schakelkenmerken van HfO2/TiO2/HfO2 drielaagse structuur RRAM-apparaten op Pt- en TiN-gecoate substraten vervaardigd door atomaire laagafzetting
    3. Fotokatalytische eigenschappen van Co3O4-gecoate TiO2-poeders bereid door plasma-versterkte afzetting van atoomlagen
    4. De oppervlaktemorfologieën en eigenschappen van ZnO-films afstemmen door het ontwerp van grensvlakken
    5. Fermi-niveau-afstemming van ZnO-films door middel van supercyclische atoomlaagafzetting
    6. Vervaardiging van hiërarchische ZnO@NiO Core-Shell heterostructuren voor verbeterde fotokatalytische prestaties
    7. Afhankelijkheid van dikte van grensvlak- en elektrische eigenschappen in atoomlaag afgezet AlN op c-vlak GaN
    8. Effecten van etsvariaties op Ge/Si-kanaalvorming en apparaatprestaties
    9. Analoge/RF-prestaties van T-Shape Gate Dual-Source Tunnel Field-Effect Transistor
    10. Verbeterde thermo-elektrische prestaties van c-Axis-Oriented Epitaxiale Ba-Doped BiCuSeO Thin Films
    11. Atomaire laagafzetting bij lage temperatuur van SiO2 met behulp van koolstofdioxide