Comportamientos de programación dependientes de la polaridad del voltaje de la memoria de transistor de película delgada amorfa In-Ga-Zn-O con una captura de carga de ZnO depositada en capa atómica Capa

Resultados y discusión

La Figura 1 muestra los diagramas esquemáticos del dispositivo de memoria a-IGZO TFT fabricado bajo programación de polarización positiva y negativa, respectivamente. Durante la programación eléctrica, se aplica un pulso eléctrico en la puerta trasera y los electrodos de fuente y drenaje se conectan a tierra. La Figura 2 muestra las características de programación de los dispositivos de memoria prístinos en diferentes condiciones. Para el dispositivo de memoria impecable, exhibe una relación de corriente de encendido / apagado ( I _en / Yo _desactivado ) de 1,5 × 10 ⁷ , movilidad de efecto de campo de 7,1 cm ² V ⁻¹ s ⁻¹ y una oscilación subumbral (SS) de 0,67 V / dec. En términos de programación de 80 ms con diferentes sesgos positivos, el I _d - V _g La curva se mueve gradualmente en la dirección de una polarización positiva en función del voltaje de programación, por ejemplo, la V _th resultante cambio relativo al dispositivo prístino (ΔV _th ) aumenta de 1.3 a 4.8 V al aumentar el voltaje de programación de 8 a 13 V, exhibiendo saturación de programación a 12 V, como se muestra en la Fig. 2a. Un ΔV _th tan significativo sugiere que se inyectan electrones considerables del canal a-IGZO de tipo n en el CTL de ZnO. Además, cuando el voltaje de programación se fija en 13 V, el ΔV _th aumenta lentamente de 2 a 3,1 V prolongando el tiempo de programación de 1 μs a 30 ms, como se muestra en la Fig. 2c. Curiosamente, cuando el dispositivo de memoria prístino se programa con un sesgo de puerta negativo, la V _th exhibe un cambio notable hacia un sesgo negativo, que se muestra en la Fig. 2b. Para un tiempo de programación constante de 80 ms, el ΔV _th aumenta de −5,2 a −7,4 V con un sesgo de programación creciente de −8 a −13 V. Incluso si el dispositivo de memoria prístino está programado a -13 V durante 1 μs, también puede demostrar un ΔV _th tan grande como −6,5 V, que se muestra en la figura 2d. Esto significa que una gran cantidad de electrones se eliminan del CTL, por lo que quedan muchas cargas positivas.

Los diagramas esquemáticos de sección transversal del dispositivo de memoria a-IGZO TFT programado bajo una polarización de puerta positiva ( a ) y un sesgo de puerta negativo ( b ), respectivamente.

Las curvas de transferencia del dispositivo de memoria a-IGZO TFT y las programadas a en varios sesgos de puerta positivos durante un tiempo constante de 80 ms, b en varios sesgos de puerta negativos durante un tiempo constante de 80 ms, c a 13 V durante varios tiempos de programación, y d a −13 V durante varios tiempos de programación. Todas las curvas de transferencia de cada figura se midieron en el mismo dispositivo y todas las operaciones de programación se llevaron a cabo en secuencia.

Para comprender el efecto de captura de carga de la capa de ZnO, los TFT a-IGZO sin ZnO CTL también se fabrican como dispositivos de control para la comparación. La Figura 3 muestra las características de transferencia de los dispositivos de control cuando se programan bajo diferentes polarizaciones positivas y negativas, respectivamente. Se encuentra que el dispositivo no exhibe un ΔV _th discernible independientemente de la polaridad y amplitud del voltaje de programación. Esto indica que el ΔV _th distinto mencionado anteriormente para los dispositivos de memoria deben adscribirse al ZnO CTL. Por otro lado, se observa que IGZO es un semiconductor natural de tipo n, por lo que los electrones en el canal IGZO se pueden inyectar fácilmente en el CTL de ZnO bajo una polarización de puerta positiva (por ejemplo, . , +9 V). Sin embargo, cuando se aplica una polarización de programación negativa al electrodo de puerta del dispositivo, el canal a-IGZO tiende a agotarse y la conducción del agujero apenas se logra [15]. En este caso, el dispositivo no se puede programar mediante la inyección de un orificio desde el canal y, por lo tanto, la posibilidad única de programación eléctrica debe realizarse eliminando el atrapamiento de electrones intrínsecos en el CTL de ZnO prístino. De hecho, nuestros resultados experimentales indican que el dispositivo se puede programar fácilmente bajo sesgos de puerta negativos, ver Fig. 2d. La Figura 4 muestra las características de resistencia de la memoria en función de los ciclos de programación / borrado (P / E). El dispositivo muestra una ventana de memoria de 3,7 V durante 10 ³ de ciclos P / E en el caso de programación de 11 V / 1 ms y borrado de −9 V / 10 μs. Además, se puede lograr una ventana de memoria de hasta 7,2 V a 10 ³ de ciclos P / E con respecto a la programación de 12 V / 1 ms y el borrado de −12 V / 10 μs. La Tabla 1 compara las características de programación y borrado de varias memorias TFT a-IGZO [14, 22, 23]. Comparado con otros dispositivos, nuestro dispositivo exhibe una eficiencia de borrado mucho mayor incluso bajo un sesgo más bajo (-12 V) y un tiempo mucho más corto (10 μs) a pesar de una superioridad no notable en la eficiencia de programación.

Las curvas de transferencia del dispositivo a-IGZO TFT y las programadas a en diferentes polarizaciones de puerta positiva durante un tiempo constante de 80 ms y b a diferentes polarizaciones de puerta negativa durante un tiempo constante de 80 ms

Las características de resistencia del dispositivo de memoria a-IGZO TFT en función de los ciclos P / E

Para aclarar el origen de los electrones desencajados del CTL de ZnO prístino, se comparan varios CTL de ZnO procesados ​​en los dispositivos de memoria TFT a-IGZO. La Figura 5 muestra la dependencia del voltaje de programación de △ V _th para los dispositivos con diferentes CTL de ZnO. Se observa que, para los dispositivos de memoria con el depósito y N ₂ CTL de ZnO recocidos, el ΔV _th resultante exhibe una tendencia creciente similar con el aumento del voltaje de programación a pesar de las polaridades del voltaje. Sin embargo, para el dispositivo de memoria con O ₂ - CTL de ZnO recocido, el valor absoluto de ΔV _th muestra una disminución significativa bajo la misma condición de programación, por ejemplo, el valor absoluto de ΔV _th disminuye en 2 y 3 V, respectivamente, en el caso de pulsos de programación de 13 V / 80 ms y −12 V / 1 μs. Además, se observan comportamientos de programación saturados para el O ₂ CTL de ZnO recocido en el caso de sesgos de puerta positivos y negativos. Esto debería atribuirse a trampas limitadas en el CTL. En una palabra, el post-recocido en O ₂ a 250 ° C reduce el número de centros de trampa en la película de ZnO, lo que conduce a una disminución en la capacidad de captura de carga.

Los cambios de voltaje de umbral de los dispositivos de memoria a-IGZO TFT con diferentes capas de captura de carga de ZnO procesadas en función de a tensión de programación positiva para un tiempo de programación constante de 80 ms y b tensión de programación negativa para un tiempo de programación constante de 1 μs. Para cada condición, se midieron cinco dispositivos.

Para investigar la influencia del post-recocido en las propiedades de la película de ZnO, las películas de ZnO depositadas y procesadas se caracterizan por mediciones de efecto Hall y XPS. Como se muestra en la Fig.6, la película de ZnO recocida en N ₂ a 250 ° C muestra una concentración de portador de 4,4 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ , que está muy cerca de eso (4.5 × 10 ¹⁹ cm ⁻³ ) de la película de ZnO depositada; sin embargo, la película de ZnO recocida en O ₂ a 250 ° C muestra una disminución notable en la concentración de portador, que es igual a 1.8 × 10 ¹⁸ cm ⁻³ . Se ha informado de que los donantes intrínsecos en las películas semiconductoras de ZnO de tipo n son las vacantes de oxígeno [24]. Kwon y col. También informó que la relación atómica O / Zn en la película de ALD ZnO disminuyó gradualmente de 0,90 a 0,78 al aumentar la temperatura de deposición de 70 a 130 ° C [25]. Esto revela la existencia de vacantes de oxígeno en las películas de ALD ZnO. Por lo tanto, el O ₂ -La disminución inducida por el recocido en la concentración de portadores (electrones) debe estar relacionada con la reducción de las vacantes de oxígeno en la película de ZnO. Además, los espectros XPS de O1s de alta resolución de la película de ZnO depositada y los recocidos en N ₂ o O ₂ se analizan, como se muestra en la Fig. 7. Los tres picos deconvolucionados están centrados en 530.0, 531.6 y 532.4 eV, correspondientes a O ²⁻ iones unidos con Zn ²⁺ (O1), las vacantes de oxígeno (O2) y el elemento de oxígeno quimisorbido (–OH, etc.) (O3), respectivamente [26]. En comparación con la película de ZnO depositada, el post-recocido en O ₂ genera una disminución del 2,1% en el porcentaje relativo de O2. Sin embargo, para la película de ZnO recocida en N ₂ , el porcentaje relativo de O2 prácticamente no cambia. Estos resultados indican que el O ₂ El recocido puede pasivar las vacantes de oxígeno en la película de ZnO, pero el N ₂ el recocido no puede hacer. Esto confirma aún más la correlación entre las vacantes de oxígeno y la concentración de portadores.

Las concentraciones de portador de la película de ZnO depositada y los recocidos en diferentes condiciones.

Espectros XPS de O1s de alta resolución de la película de ZnO depositada y de los recocidos a 250 ° C en O ₂ y N ₂ , respectivamente. O1 y O2 corresponden a O ²⁻ iones unidos con Zn ²⁺ y vacantes de oxígeno, respectivamente. El O3 se atribuye al elemento oxígeno quimisorbido (–OH, etc.). Para eliminar involuntariamente los contaminantes de la superficie, todas las muestras se grabaron con bombardeo de iones in situ

Con base en los resultados experimentales antes mencionados, se puede concluir que las características de programación de los dispositivos de memoria prístinos están dominadas por la concentración de defectos relacionados con la vacante de oxígeno en el CTL de ZnO. En otras palabras, las vacantes de oxígeno en la película de ZnO sirven principalmente como centros trampa para atrapar cargas positivas y negativas. Se informa que los defectos relacionados con la vacante de oxígeno en ZnO incluyen la vacante de oxígeno neutro (V _O ), vacante de oxígeno ionizado individualmente (V _O ⁺ ) y la vacante de oxígeno doblemente ionizado (V _O ²⁺ ), cuyos niveles de energía se ubican en 0.02-0.04, 0.3-0.45 y 0.61 eV, respectivamente, por debajo del mínimo de la banda de conducción de ZnO [27, 28]. Dado que la película de ZnO depositada muestra una alta concentración de electrones en nuestro caso, la concentración de las vacantes de oxígeno neutro que sirven como donantes superficiales debería ser mucho mayor que la de las vacantes de oxígeno ionizado (V _O ⁺ y V _O ²⁺ ). En términos de programación en una polarización de puerta positiva, los electrones en la capa de acumulación del canal a-IGZO se inyectan en la capa de ZnO por el mecanismo de túnel de Fowler-Nordheim (FN), que se demuestra por un ΔV _{th mejorando el voltaje de programación en la Fig. 2a. Mientras tanto, se espera que estos electrones queden atrapados preferentemente en niveles profundos de V O ⁺ y V O ²⁺ , como se muestra en la Fig. 8a. Esto provoca un desplazamiento de V th hacia un sesgo positivo. Por supuesto, además de las vacantes de oxígeno que atrapan electrones, otros defectos también podrían capturar electrones. Sin embargo, nuestros datos experimentales indican que las vacantes de oxígeno juegan un papel crucial en el atrapamiento de electrones, así como en la captura de carga positiva, como se muestra en la Fig.5. nivel de energía más superficial [27, 28], y los electrones liberados hacen un túnel desde el CTL de ZnO hacia el canal, lo que lleva a la formación de vacantes de oxígeno con carga positiva (p. ej., V O ⁺ ), como se muestra en la Fig. 8b. Esto provoca un desplazamiento de V th en la dirección del sesgo negativo, como se indica en la Fig. 2b. Además, debido a una mayor concentración de vacantes de oxígeno neutro (V O ) en el CTL depositado de ZnO, el dispositivo de memoria prístino exhibe una eficiencia de programación mucho mayor bajo la polarización de la puerta negativa que bajo la polarización de la puerta positiva. Por ejemplo, el valor absoluto de ΔV th es tan grande como 6,5 V después de programar a −13 V durante 1 μs (consulte la Fig. 2d); sin embargo, el ΔV th es igual a 2 V después de programar a 13 V durante 1 μs (Fig. 2c). Esto se debe a que el primero está determinado principalmente por la concentración de V O , y este último está dominado por las concentraciones de V O ⁺ y V O ²⁺ .}

Diagramas de bandas de energía de los dispositivos de memoria a-IGZO TFT programados en a un sesgo de puerta positivo y b un sesgo de puerta negativo, respectivamente. V _o , V _o ⁺ y V _o ²⁺ denotar vacante de oxígeno neutro, vacante de oxígeno ionizado individualmente y vacante de oxígeno doblemente ionizado, respectivamente

Conclusiones

En resumen, fabricamos una memoria TFT a-IGZO programable bipolar con un CTL de ZnO depositado en una capa atómica. En comparación con la programación con un sesgo de puerta positivo, la programación con un sesgo de puerta negativo puede generar una eficiencia mucho mayor. Esto se debe a que durante la programación dependiente de la polaridad del voltaje entran en vigor diferentes defectos de vacancia de oxígeno. Es decir, defectos profundos de V _O ⁺ y V _O ²⁺ juegan un papel clave para que los electrones atrapen durante la programación de polarización positiva y defectos superficiales de V _O donar principalmente electrones durante la programación de sesgo negativo, lo que resulta en la generación de vacantes de oxígeno con carga positiva.

Disponibilidad de datos y materiales

Los conjuntos de datos que respaldan las conclusiones de este manuscrito se incluyen dentro del manuscrito.

Abreviaturas

a-IGZO:

Óxido de indio-galio-zinc amorfo

ALD:

Deposición de la capa atómica

CTL:

Capa de captura de carga

TFT:

Transistor de película fina

XPS:

Espectroscopia de fotoelectrones de rayos X

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