Spanning-polariteitsafhankelijk programmeergedrag van amorf In–Ga–Zn–O dunnefilmtransistorgeheugen met een atomaire laag-afgezette ZnO-ladingvangst Laag

Resultaten en discussie

Figuur 1 toont de schematische diagrammen van het gefabriceerde a-IGZO TFT-geheugenapparaat onder respectievelijk positieve en negatieve bias-programmering. Tijdens elektrische programmering wordt een elektrische puls toegepast op de achterpoort en worden de source- en drain-elektroden geaard. Figuur 2 toont de programmeerkenmerken van de oorspronkelijke geheugenapparaten onder verschillende omstandigheden. Voor het ongerepte geheugenapparaat vertoont het een aan / uit-stroomverhouding (I _aan /Ik _uit ) van 1,5 × 10 ⁷ , veldeffectmobiliteit van 7,1 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ , en een schommeling onder de drempel (SS) van 0,67 V/dec. In termen van 80 ms-programmering bij verschillende positieve vooroordelen, is de I _d –V _g curve beweegt geleidelijk in de richting van een positieve bias als functie van de programmeerspanning, bijvoorbeeld de resulterende V_th verschuiving ten opzichte van het oorspronkelijke apparaat (ΔV_th ) neemt toe van 1,3 tot 4,8 V met toenemende programmeerspanning van 8 tot 13 V, met programmeerverzadiging bij 12 V, zoals weergegeven in Fig. 2a. Zo'n significante ΔV_de suggereert dat aanzienlijke elektronen van het n-type a-IGZO-kanaal in de ZnO-CTL worden geïnjecteerd. Bovendien, wanneer de programmeerspanning is vastgesteld op 13 V, zal de ΔV_de neemt langzaam toe van 2 naar 3,1 V met een verlenging van de programmeertijd van 1 μs tot 30 ms, zoals weergegeven in Fig. 2c. Interessant is dat wanneer het ongerepte geheugenapparaat is geprogrammeerd met een negatieve gate-bias, de V_de vertoont een opmerkelijke verschuiving naar een negatieve bias, getoond in figuur 2b. Voor een constante programmeertijd van 80 ms, de ΔV_th vergroot van −5,2 tot −7.4 V met toenemende programmeerbias van −8 tot −13 V. Zelfs als het ongerepte geheugenapparaat is geprogrammeerd op -13 V gedurende 1 μs, kan het ook een ΔV_de vertonen zo groot als -6,5 V, getoond in Fig. 2d. Dit betekent dat een zeer groot aantal elektronen van de CTL wordt ontdaan, wat resulteert in een overblijvend groot aantal positieve ladingen.

De schematische dwarsdoorsnedediagrammen van het a-IGZO TFT-geheugenapparaat geprogrammeerd onder een positieve gate-bias (a ) en een negatieve gate-bias (b ), respectievelijk.

De overdrachtscurves van het a-IGZO TFT-geheugenapparaat en die geprogrammeerd a bij verschillende positieve poortvoorspanningen gedurende een constante tijd van 80 ms, b bij verschillende negatieve poortvoorspanningen gedurende een constante tijd van 80 ms, c bij 13 V voor verschillende programmeertijden, en d bij −13 V voor verschillende programmeertijden. Alle overdrachtscurven voor elk cijfer werden op hetzelfde apparaat gemeten en alle programmeerbewerkingen werden in volgorde uitgevoerd.

Om het ladingvangeffect van de ZnO-laag te begrijpen, worden ter vergelijking ook a-IGZO TFT's zonder ZnO CTL gefabriceerd als controleapparaten. Figuur 3 toont de overdrachtskarakteristieken van de regelapparaten wanneer ze respectievelijk onder verschillende positieve en negatieve vooroordelen worden geprogrammeerd. Het is gebleken dat het apparaat geen waarneembare ΔV_de . vertoont ongeacht de polariteit en amplitude van de programmeerspanning. Dit geeft aan dat de eerder genoemde duidelijke ΔV_de voor de geheugenapparaten moet worden toegeschreven aan de ZnO CTL. Aan de andere kant wordt opgemerkt dat IGZO een natuurlijke n-type halfgeleider is, dus elektronen in het IGZO-kanaal kunnen gemakkelijk in de ZnO CTL worden geïnjecteerd onder een positieve gate-bias (bijv.. , +9V). Wanneer echter een negatieve programmeerbias wordt toegepast op de poortelektrode van het apparaat, heeft het a-IGZO-kanaal de neiging leeg te raken en wordt de gatengeleiding nauwelijks bereikt [15]. In dit geval kan het apparaat niet worden geprogrammeerd via gateninjectie vanuit het kanaal, en dus moet de unieke mogelijkheid van elektrische programmering worden gerealiseerd door intrinsieke elektronen in de ongerepte ZnO-CTL te ontdoen. In feite geven onze experimentele resultaten aan dat het apparaat gemakkelijk kan worden geprogrammeerd onder negatieve poortvooroordelen, zie figuur 2d. Figuur 4 toont de duurzaamheidskenmerken van het geheugen als functie van programmeer-/wiscycli (P/E). Het apparaat heeft een geheugenvenster van 3,7 V voor 10 ³ van P/E-cycli in het geval van programmering van 11 V/1 ms en wissen van −9 V/10 μs. Verder kan een geheugenvenster van wel 7,2 V worden bereikt bij 10 ³ van P/E-cycli met betrekking tot 12 V/1 ms programmering en −12 V/10 μs wissen. Tabel 1 vergelijkt de programmeer- en wiskarakteristieken van verschillende a-IGZO TFT-geheugens [14, 22, 23]. In vergelijking met andere apparaten vertoont ons apparaat een veel hogere wisefficiëntie, zelfs bij een lagere voorspanning (−12 V) en een veel kortere tijd (10 μs), ondanks de niet noemenswaardige superioriteit in programmeerefficiëntie.

De overdrachtscurves van het a-IGZO TFT-apparaat en die geprogrammeerd a bij verschillende positieve poortvoorspanningen voor een constante tijd van 80 ms en b bij verschillende negatieve poortvoorspanningen voor een constante tijd van 80 ms

De duurzaamheidskenmerken van het a-IGZO TFT-geheugenapparaat als functie van P/E-cycli

Om de oorsprong van elektronen die uit de ongerepte ZnO-CTL zijn gehaald te verduidelijken, worden verschillende bewerkte ZnO-CTL's vergeleken in de a-IGZO TFT-geheugenapparaten. Afbeelding 5 toont de programmeerspanningsafhankelijkheid van △V_th voor de apparaten met verschillende ZnO CTL's. Opgemerkt wordt dat voor de geheugenapparaten met de as-deposited en N₂ -gegloeide ZnO CTL's, de resulterende ΔV_de vertoont een vergelijkbare toenemende tendens met het verhogen van de programmeerspanning ondanks de spanningspolariteiten. Voor het geheugenapparaat met de O₂ -gegloeide ZnO CTL, de absolute waarde van ΔV_th toont een significante afname onder dezelfde programmeerconditie, bijv. de absolute waarde van ΔV_th neemt af met respectievelijk 2 en 3 V bij programmeerpulsen van 13 V/80 ms en −12 V/1 μs. Verder wordt verzadigd programmeergedrag waargenomen voor de O₂ -gegloeide ZnO CTL in het geval van positieve en negatieve poortbias. Dit moet worden toegeschreven aan beperkte vallen in de CTL. Kortom, de post-annealing in O₂ bij 250 °C vermindert het aantal opvangcentra in de ZnO-film, wat leidt tot een afname van de capaciteit voor het opvangen van ladingen.

De drempelspanningsverschuivingen van de a-IGZO TFT-geheugenapparaten met verschillende verwerkte ZnO-ladingvanglagen als functie van a positieve programmeerspanning voor constante programmeertijd van 80 ms en b negatieve programmeerspanning voor constante programmeertijd van 1 μs. Voor elke conditie werden vijf apparaten gemeten.

Om de invloed van post-annealing op de eigenschappen van de ZnO-film te onderzoeken, worden de zoals gedeponeerde en verwerkte ZnO-films gekarakteriseerd door Hall-effectmetingen en XPS. Zoals getoond in Fig. 6, is de ZnO-film uitgegloeid in N₂ bij 250 °C toont een dragerconcentratie van 4,4×10 ¹⁹ cm ⁻³ , wat daar heel dicht bij in de buurt komt (4,5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) van de als gedeponeerde ZnO-film; echter, de ZnO-film uitgegloeid in O₂ bij 250 °C vertoont een opmerkelijke afname van de dragerconcentratie, die gelijk is aan 1,8 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . Er is gemeld dat de intrinsieke donoren in n-type ZnO-halfgeleiderfilms zuurstofvacatures zijn [24]. Kwon et al. rapporteerde ook dat de atoomverhouding O/Zn in de ALD ZnO-film geleidelijk afnam van 0.90 tot 0.78 bij verhoging van de depositietemperatuur van 70 tot 130 °C [25]. Dit onthult het bestaan ​​van zuurstofvacatures in ALD ZnO-films. Daarom is de O₂ Door annealing geïnduceerde afname van de drager (elektronen) concentratie moet verband houden met de vermindering van zuurstofvacatures in de ZnO-film. Verdere O1s XPS-spectra met hoge resolutie van de gedeponeerde ZnO-film en die gegloeid in N₂ of O₂ worden geanalyseerd, zoals weergegeven in Fig. 7. De gedeconvolueerde drie pieken zijn gecentreerd op 530,0, 531,6 en 532,4 eV, wat overeenkomt met O ²⁻ ionen gebonden met Zn ²⁺ (O1), zuurstofvacatures (O2) en chemisch gesorbeerd zuurstofelement (-OH, enz.) (O3), respectievelijk [26]. Vergeleken met de as-deposited ZnO-film, is de post-annealing in O₂ zorgt voor een afname van 2,1% in het relatieve percentage O2. Niettemin, voor de ZnO-film gegloeid in N₂ , is het relatieve percentage O2 nagenoeg onveranderd. Deze resultaten geven aan dat de O₂ uitgloeien kan zuurstofvacatures in de ZnO-film passiveren, maar de N₂ gloeien kan niet. Dit bevestigt verder de correlatie tussen zuurstofvacatures en dragerconcentratie.

De dragerconcentraties van de als afgezette ZnO-film en die onder verschillende omstandigheden uitgegloeid.

Hoge resolutie O1s XPS-spectra van de gedeponeerde ZnO-film en die gegloeid bij 250 °C in O₂ en N₂ , respectievelijk. O1 en O2 komen overeen met O ²⁻ ionen gebonden met Zn ²⁺ en zuurstofvacatures, respectievelijk. O3 wordt toegeschreven aan chemisch gesorbeerd zuurstofelement (-OH, enz.). Om onbedoeld oppervlakteverontreinigingen te verwijderen, werden alle monsters geëtst met in situ Ar-ionenbombardement

Op basis van de bovengenoemde experimentele resultaten kan worden geconcludeerd dat de programmeerkenmerken van de ongerepte geheugenapparaten worden gedomineerd door de concentratie van zuurstofvacature-gerelateerde defecten in de ZnO-CTL. Met andere woorden, zuurstofvacatures in de ZnO-film dienen voornamelijk als opvangcentra voor het opvangen van positieve en negatieve ladingen. Het is gemeld dat zuurstoftekort-gerelateerde defecten in ZnO onder meer een neutrale zuurstoftekort (V_O ), enkelvoudig geïoniseerde zuurstofvacature (V_O ⁺ ), en dubbel geïoniseerde zuurstofvacature (V_O ²⁺ ), waarvan de energieniveaus zich respectievelijk op 0,02-0,04, 0,3-0,45 en 0,61 eV bevinden, onder het geleidingsbandminimum van ZnO [27, 28]. Aangezien de als gedeponeerde ZnO-film in ons geval een hoge elektronenconcentratie vertoont, zou de concentratie van neutrale zuurstofvacatures die als ondiepe donoren dienen veel hoger moeten zijn dan die van geïoniseerde zuurstofvacatures (V_O ⁺ en V_O ²⁺ ). In termen van programmeren met een positieve gate-bias, worden elektronen in de accumulatielaag van het a-IGZO-kanaal in de ZnO-laag geïnjecteerd door het Fowler-Nordheim (FN) tunnelmechanisme, wat wordt aangetoond door een incrementele ΔV_th met verbetering van de programmeerspanning in figuur 2a. Ondertussen wordt verwacht dat deze elektronen bij voorkeur worden gevangen op diepe niveaus van V_O ⁺ en V_O ²⁺ , zoals afgebeeld in Fig. 8a. Dit veroorzaakt een verschuiving van V_de naar een positieve bias. Natuurlijk, naast zuurstofvacatures die elektronen opsluiten, kunnen andere defecten ook elektronen vangen. Onze experimentele gegevens geven echter aan dat zuurstofvacatures een cruciale rol spelen bij het vangen van elektronen en het vastleggen van positieve lading, zoals onthuld in Fig. 5. Onder negatieve programmeerspanning doneren de neutrale zuurstofvacatures in de ongerepte ZnO CTL dominant elektronen vanwege de ondiepste energieniveau [27, 28], en de vrijgekomen elektronen tunnelen van de ZnO CTL in het kanaal, wat leidt tot de vorming van positief geladen zuurstofvacatures (bijv. V_O ⁺ ), zoals getoond in Fig. 8b. Dit veroorzaakt een verschuiving van V_de in de richting van de negatieve bias, zoals aangegeven in figuur 2b. Verder door een hogere concentratie neutrale zuurstofvacatures (V_O ) in de als gedeponeerde CTL van ZnO vertoont het ongerepte geheugenapparaat een veel hogere programmeerefficiëntie onder de negatieve poortvoorspanning dan onder de positieve poortvoorspanning. Bijvoorbeeld, de absolute waarde van ΔV_th is zo groot als 6,5 V na programmering op -13 V gedurende 1 μs (zie Fig. 2d); echter, de ΔV_de is gelijk aan 2 V na programmering op 13 V gedurende 1 μs (Fig. 2c). Dit komt omdat de eerste voornamelijk wordt bepaald door de concentratie van V_O , en de laatste wordt gedomineerd door de concentraties van V_O ⁺ en V_O ²⁺ .

Energiebanddiagrammen van de a-IGZO TFT-geheugenapparaten geprogrammeerd op a een positieve gate-bias en b respectievelijk een negatieve gate-bias. V_o , V_o ⁺ , en V_o ²⁺ duiden respectievelijk neutrale zuurstofleegstand, enkel geïoniseerde zuurstofleegte en dubbel geïoniseerde zuurstofleegstand aan