SWCNT-FeFETs avec contrôle de défauts HfO₂ : ratios marche/arrêt records, endurance et rétention

Résumé

Nous avons conçu des transistors à effet de champ ferroélectriques (FeFETs) utilisant des rayures de nanotubes de carbone à paroi unique (SWCNT) comme canal, un film ferroélectrique (Bi,Nd)₄Ti₃O₁₂ (BNT) comme diélectrique de grille, et une fine couche HfO₂ comme tampon de contrôle de défauts. Les dispositifs résultants exhibent une haute conductance de canal, un rapport courant marche/arrêt dépassant 2×10⁵, une mobilité de porteurs de 395 cm²/V·s, et une robuste endurance à la fatigue et rétention de données. Malgré la très fine capacitance de grille effective, la couche HfO₂ limite le courant de fuite de grille à 3,1×10⁻⁹ A/cm² à −3 V.

Contexte

Les FeFETs sont prometteurs pour la mémoire non volatile et la logique basse consommation car ils combinent haute vitesse, structure mono-dispositif simple et lecture non destructive. Le BNT est un ferroélectrique sans plomb avec une excellente stabilité chimique et endurance à la fatigue, en faisant un diélectrique de grille attractif qui peut réduire la tension de seuil et améliorer la conductance de canal. Les nanotubes de carbone (CNT) sont largement utilisés dans les FeFETs pour leur conductivité et mobilité supérieures. Les CNT idéaux n'ont pas de liaisons pendantes, ce qui minimise les réactions d'interface avec le film ferroélectrique. Cependant, la fabrication d'un seul CNT entre source et drain est expérimentalement difficile, et les réseaux de CNT contiennent souvent des tubes métalliques qui abaissent le rapport marche/arrêt. Des travaux antérieurs ont utilisé des rayures de CNT à parois multiples (MWCNT) pour surmonter ces problèmes, mais l'endurance à la fatigue et la rétention de tels dispositifs restent floues. Les SWCNTs, étant des tubes de graphène monocouche sans couture, offrent une qualité supérieure et moins de défauts que les MWCNTs. Les défauts tels que les impuretés ioniques, les lacunes d'oxygène et les dislocations dans le film ferroélectrique peuvent diffuser et dégrader la performance du dispositif. Une fine couche HfO₂ peut bloquer la diffusion des défauts, agir comme tampon d'adaptation de réseau entre BNT et Si, et ainsi réduire la densité de dislocations dans le film BNT, améliorant le rapport marche/arrêt, l'endurance à la fatigue et la rétention.

Méthodes

Les FeFETs étaient fabriqués sur du Si de type n fortement dopé (ρ = 0,0015 Ω·cm) utilisé comme grille arrière. Une couche de 20 nm HfO₂ était déposée par dépôt laser pulsé (PLD) avec un laser excimère KrF (248 nm). Un film BNT de 300 nm était ensuite cultivé par PLD comme décrit dans un travail antérieur. Les SWCNTs (longueur 10–30 µm, diamètre 0,8–1,1 nm, pureté 85 %) étaient assemblés par auto-assemblage induit par évaporation : une dispersion SWCNT/eau 100 mg/L était évaporée à 80 °C avec un taux de 9–21 µL/min, formant des rayures de largeur micron sur le substrat BNT/HfO₂/Si. Des électrodes source/drain en Pt (4,5 mm² chacune) étaient pulvérisées par dépôt faisceau d'ions à travers un masque de 1 cm². La longueur et largeur de canal étaient 200 µm et 1500 µm respectivement. Un recuit postérieur à 500 °C pendant 2 h améliorait le contact électrode-CNT. Les SWCNTs métalliques étaient sélectivement éliminés par une impulsion de haute tension de grille, laissant un réseau semiconducteur. Pour comparaison, des SWCNT/SiO₂-FETs et MWCNT/BNT-FeFETs étaient fabriqués dans les mêmes conditions. La caractérisation électrique utilisait un analyseur de paramètres Keithley 4200 ; l'hystérésis ferroélectrique était mesuré avec un analyseur RT Precision Workstation.

Résultats et discussion

La Figure 1a montre le réseau de SWCNT à motif de rayures ; les rayures apparaissent comme des crêtes brillantes et densément empilées, tandis que le substrat BNT/HfO₂/Si sous-jacent est visible comme des zones plus sombres et encaissées. Les images MEB (Fig. 1b–d) confirment la surface BNT/HfO₂ cristalline et poreuse comparée au BNT seul plus lisse. Les boucles d'hystérésis (Fig. 1e) révèlent que les films BNT/HfO₂ exhibent une polarisation plus élevée que le BNT seul, indiquant une diffusion de défauts réduite lors de la croissance sur HfO₂.

Les caractéristiques de sortie (Fig. 2) démontrent un comportement typique de canal p. Les dispositifs SWCNT/BNT/HfO₂-FeFET et SWCNT/BNT-FeFET atteignent tous deux un courant source-drain saturé de 3,8×10⁻² A et une conductance de 9,5×10⁻³ S à VGS = −4 V, VDS = 4 V. Cependant, le dispositif à base de HfO₂ montre un courant d'état éteint markedly plus bas et une fuite négligeable à VGS = 0 V, confirmant le blocage efficace des défauts.

Les courbes de transfert (Fig. 3) donnent des tensions de seuil de 0,2 V (HfO₂) et 0,8 V (sans HfO₂) et des mobilités de 395 cm²/V·s et 300 cm²/V·s respectivement. Les graphiques de transfert logarithmiques (Fig. 4) donnent des rapports marche/arrêt de 2×10⁵, 2×10⁴ et 2,3×10² pour SWCNT/BNT/HfO₂-FeFET, SWCNT/BNT-FeFET et SWCNT/SiO₂/HfO₂-FET respectivement. La couche HfO₂ améliore ainsi significativement le rapport marche/arrêt en supprimant la fuite pilotée par les défauts.

Les largeurs de fenêtre de mémoire mesurées depuis l'hystérésis IDS–VGS sont de 4,2 V (HfO₂) et 4,1 V (sans HfO₂), dépassant de loin les 1,1 V observés dans les CNT/PZT-FeFETs, indiquant un couplage ferroélectrique fort. L'étude de rétention (Fig. 5) montre que le SWCNT/BNT/HfO₂-FeFET maintient un rapport marche/arrêt de 3×10⁴ après 10⁶ s, avec seulement 3,2 % de dégradation, et l'extrapolation prédit un rapport de 1,9×10⁴ après 10⁸ s. En contraste, les dispositifs sans HfO₂ ne retiennent que 3×10³ (SWCNT/BNT) et 2×10² (MWCNT/BNT). Les mesures de courant de fuite (Fig. 6) confirment que les films BNT/HfO₂ ont une fuite d'un ordre de grandeur plus faible (1,2×10⁻⁹ A) que le BNT seul (1,5×10⁻⁸ A) à −3 V, cohérent avec une densité de charge d'espace réduite (2,1×10¹⁷ cm⁻³ vs 1,4×10¹⁹ cm⁻³).

L'endurance à la fatigue (Fig. 7) montre une perte de 3 % après 10¹¹ cycles pour le dispositif HfO₂, comparé à 10 % et 25 % pour SWCNT/BNT-FeFET et MWCNT/BNT-FeFET respectivement. Le tampon HfO₂ mince bloque efficacement la diffusion du Si et les impuretés ioniques, préservant la polarisation ferroélectrique.

Les simulations (Fig. 8) d'hystérésis P–E et de courbes IDS–VGS utilisant des modèles de charge asymétriques confirment que la couche HfO₂ réduit l'asymétrie induite par les défauts, abaissant le courant d'état éteint et améliorant la stabilité du dispositif.

Conclusions

L'intégration d'une fine couche de contrôle de défauts HfO₂ dans les FeFETs SWCNT-BNT produit une faible fuite (1,2×10⁻⁹ A à −3 V), un haut rapport marche/arrêt (2×10⁵) et une haute mobilité (395 cm²/V·s). Le dispositif exhibe une excellente endurance à la fatigue (3 % de perte après 10¹¹ cycles) et une rétention de données robuste (rapport marche/arrêt > 1,9×10⁴ après 10⁸ s). Ces améliorations découlent de la suppression des défauts et de l'adaptation de réseau fournies par HfO₂, confirmées par les mesures et simulations.