ID Proiect: 89PED din 03/01/2017 (PN-III-P2-2.1-PED-2016-0286)-PhotoElCaNanoMem

Director de Proiect: Dr. Toma Stoica

Tipul proiectului: National

Programul de incadrare al proiectului: PED

Finantare: Unitatea Executivă pentru Finanțarea Învățământului Superior, a Cercetării, Dezvoltării și Inovării, UEFISCDI

Contractor:

INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE - DEZVOLTARE PENTRU FIZICA MATERIALELOR

Status: In progress

Data de inceput: Tuesday, 3 January, 2017

Data finalizarii: Monday, 2 July, 2018

Rezumatul Proiectului:

Principalul scop al proiectului este fabricarea unei memorii fotoelectrice pe baza de nanocristale de Ge pentru aplicatii de econanotehnologii, combinand un senzor optic cu o memorie electronica nevolatila intrun singur nou dispozitiv. In acest dispozitiv, campul electric si lumina pot controla injectia de sarcina in nanocristale (NCs) de Ge si astfel starea memorie a dispozitivului este schimbata, putand functiona ca memorie sau comutator fotoelectric cu poarta flotanta, pentru detectori de eveniment cu memorie, cu aplicatii la sisteme de securitate, pentru case inteligente, fotonica integrata pe siliciu, etc. Materialele si tehnologia de fabricare folosite sunt prietenoase cu mediul si compatibile cu tehnologia siliciului. In acest proiect, demonstratorul este conceput ca o memorie capacitor de tip electrod transparentoxidsemiconductor cu GeNCs in matrice oxidica cuplate cu substratul de Si printrun oxid tunel. Straturile active vor fi fabricate prin pulverizare cu magnetron urmata de tratament termic rapid. Sarcina electrica stocata in GeNCs poate fi controlata prin aplicarea unui camp electric intre substrat si contactul de deasupra. La tensiuni intemediare, caracteristica capacitatetensiune prezinta o histereza si timpul de retentie poate fi ajustat pentru memorie dinamica sau de durata in principal prin optimizarea oxidului tunel. Pentru demonstratorul propus in acest proiect cu iluminare frontala, se va utiliza un electrod transparent si dinamica de retentie va fi optimizata pentru un control fotoelectric al stocarii de sarcina. Principiul de functionare consta in crearea cu lumina de perechi electrongol si prin aceasta procesele de tunelare sunt activate conducand la schimbarea optica a starilor de histereza. Noutatea acestui proiect consta deci in realizarea unei memorii fotosensibile cu poarta flotanta din GeNCs, a unui demonstrator cu structura optimizata pentru a controla simultan prin camp electric si lumina efectul de memorie.

Obiectivele proiectului: 

Obiectivul principal al proiectului este fabricarea de memorii fotoelectrice pe baza de Ge nanocristalin pentru aplicatii de econanotehnologii, combinand un senzor optic cu o memorie electronica nevolatila intrun singur dispozitiv. Intrun astfel de dispozitiv, campul electric si lumina pot controla injectia de sarcina in nanocristalele de Ge si astfel starea de memorie a dispozitivului.

Dr. Toma Stoica

Dr. Constantin Logofatu

Dr. Valentin Adrian Maraloiu

Dr. Ana Maria Lepadatu

Dr. Adrian Slav

Dr. Catalin Palade

Technician Elena Stan

Etapa I (2017): Fabricarea si caracterizarea structurilor de memorie foto-electrice pe baza de Ge-NCs in matrice oxidica.

Structuri de straturi cu NCs de Ge inglobate in HfO2 au fost realizate pe suporti de c-Si prin depuneri folosind pulverizarea magnetron din tinte separate de Ge si HfO2. Strucura de straturi consta in suprapunerea de trei straturi: i) un strat subtire tunelabil din HfO2; ii) un strat obtinut prin co-depunere de Ge si HfO2; iii) un strat de oxid de control din HfO2. Dupa depunere, formarea de NCs de Ge s-a realizat prin tratamente termice rapide la 600oC. Straturile componente structurii au fost investigate prin HRTEM (High resolution transmission electron microscopy) si HAADF-STEM (high angle annular dark field-scanning TEM) pentru aflarea compozitiei, structurii, dimensiunii NCs si localizarea lor in raport cu substratul de Si. NCs de Ge au fost investigate si prin imprastiere Raman de lumina, spectrul fiind analizat prin simulare rezultand dimensiunea NCs de Ge de 5-7nm in buna concordanta cu rezultatul TEM. Pentru compozitie si gradul de oxidare a Ge s-au utilizat masuratori de XPS (X-ray Photoelectron Spectroscopy).

Contactele memoriei capacitor au fort realizate prin depuneri in vid de Au semitransparent ca electrod pe suprafata multistratului Ge-HfO2, si de Al pe spatele suportului de Si. Caracterizarea structurii privind rezistivitatea si constanta dielectrica a straturilor componente a fost investigata prin masuratori RC si simulare in regim de acumulare, functie de frecventa de masura [1].

S-a investigat efectul expunerii la lumina in timpul regimului de programare al memoriei. Influenta iluminarii asupra curbelor C-V dupa programari de stergere la tensiuni negative s-a dovedit in unele structuri neglijabila, dar atinge valori de 60% ale factorului de influenta a luminii Q in cazul programarii de scriere cu tensiuni pozitive timp de 10 min la iluminari de 5 mW/cm2. Reducerea timpului de programare la 1 min duce la cresterea factorului Q de de schimbare foto a capacitatii de pana la 90%. [2]

 

References

  1. Material parameters from frequency dispersion simulation of floating gate memory with Ge nanocrystals in HfO2, C. Palade, A.M. Lepadatu, A. Slav, S. Lazanu, V.S. Teodorescu, T. Stoica, M.L. Ciurea, Applied Surface Science 428 (2018) 698–702.
  2. Light illumination effects on floating gate memory with Ge nanocrystals in HfO2, C. Palade, A. Slav, A.M. Lepadatu, S. Lazanu, M.L. Ciurea, T. Stoica, IEEE International Semiconductor Conference - CAS Proceedings (2017), pp. 87–90.

 

Etapa II (2018): Fabricarea si testarea functionala a demonstratorului PEGNM – TRL3

In aceasta etapa s-au realizat dispozitive de memorie optoelectrica pe baza de nanocristale (NC) de Ge in HfO2 la nivel TRL3, testele acestor dispozitive realizandu-se conform cu diverse moduri de functionare, definite in aceasta etapa pe baza modului de detectare a efectelor foto asupra dispozitivelor, astfel: M1- corespunzand efectului pulsurilor de luminii asupra relaxarii capacitatii la diverse tensiuni (M1a), sau a tensiunii de banda plata (M1b); M2 - corespunzand efectului iluminarii continue asupra ciclului de histerezis inclusiv la scriere; M3 - corespunzand efectului scrierii cu lumina + camp, asupra histerezisului de intuneric. S-au realizat si testat trei tipuri de structuri de memorie optoelectrica S1 – S3 variind grosimile straturilor de oxid tunel si cel de control. S-a definitivat procedeul de realizare a structuri PEGNM descriind pasii tehnologici si valorile proiectate ale structurii de memorie, de la curatarea suportilor de Si, la depunerile prin pulverizare magnetron a straurilor de Ge-HfO2 urmate de tratamente termice, depunerea de electrozi transparenti si electrod de spate, si in final montarea pe o ambaza (v. figura de mai jos). Explicand avantajele si dezavantajele diverselor structuri investigate, structura de tip S3 prezinta un bun potential aplicativ in stadiul actual de dezvoltare TRL3 si ea a constituit impreuna cu modul de operare M1b baza unei aplicatii de brevet de inventie.

Realizarea si testarea de dispozitive de memorie electrooptica pe baza de NC Ge a permis analiza fenomenelor legate de transfer de sarcina prin tunelare intre NC si substratul de Si, precum si stabilirea parametrilor de functionare a demonstratorului PEGNM. Astfel, efectele induse de lumina pentru diverselor moduri de operare si diverse structuri ale memoriei optoelectrice au fost caracterizate cantitativ. S-au realizat sensibilitati ale efectelor foto asupra tensiunii de banda plata de 130 mV/mJ la structura cu arie de 1 mm2. S-au putut detecta injectie de electroni in NC de Ge de ordinul 1.6 electroni/NC la iluminari de 20mW/cm2. Analiza spectrala a efectului foto a aratat domeniul cu contributie maxima a luminii integrale, in jurul lungimii de unda de 950 nm, corespunzant efectelor foto atat in Si substrat cat si in NC de Ge. Rezultatele stiintifice au servit la scrierea unei lucrari trimise spre publicare in revista ISI, si au fost prezentate si urmeaza a fi prezentate la conferinte internationale de prestigiu.

Reprezentarea schematica a unei sectiuni prin memoria optoelectrica si o matrice de patru memorii montate pe o ambaza din alumina.

Lista publicatii:

  1. Material parameters from frequency dispersion simulation of floating gate memory with Ge nanocrystals in HfO2, C. Palade, A.M. Lepadatu, A. Slav, S. Lazanu, V.S. Teodorescu, T. Stoica, M.L. Ciurea, Applied Surface Science 428 (2018) 698–702.
  2. Light illumination effects on floating gate memory with Ge nanocrystals in HfO2, C. Palade, A. Slav, A.M. Lepadatu, S. Lazanu, M.L. Ciurea, T. Stoica, work awarded at CAS 2017 conference, published in EEE International Semiconductor Conference - CAS Proceedings (2017), pp. 87–90.

Prezentari la conferinte internationale:

  • Ge nanocrystals in oxides with memory and photoelectrical properties, C. Palade, A. Slav, A.-M. Lepadatu, A.V. Maraloiu, S. Lazanu, C. Logofatu, T. Stoica, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea, The 9th International Conference on Advanced Materials - ROCAM 2017, July 11-14, Bucuresti.
  •  Ge nanocrystals as charge storage nodes in floating gate capacitor memories with HfO2, A.-M. Lepadatu, C. Palade, A. Slav, A.V. Maraloiu, S. Lazanu, C. Logofatu, T. Stoica, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea, 17-th Int. Balkan Workshop on Applied Physics, Constanta, 11-14 iulie 2017.
  • Active materials based on Ge NCs in oxides for trilayer memory capacitors and photosensitive structures, A. Slav, C. Palade, A.-M. Lepadatu, A.V. Maraloiu, C. Logofatu, S. Lazanu, T. Stoica, V.S. Teodorescu, M.L. Ciurea 17-th Int. Balkan Workshop on Applied Physics, Constanta, 11-14 iulie 2017.
  • Light illumination effects on floating gate memory with Ge nanocrystals in HfO2, C. Palade, A. Slav, A.M. Lepadatu, S. Lazanu, M.L. Ciurea, T. Stoica, work awarded at International Semiconductor Conference - CAS Proceedings (2017).

Persoana de contact:

Director proiect:  Dr.Toma Stoica

INSTITUTUL NATIONAL DE CERCETARE - DEZVOLTARE PENTRU FIZICA MATERIALELOR, Str. Atomistilor Nr. 405A., 077125 Magurele, ROMANIA

Tel:+40--(0)21-2418-171

Email: toma.stoica@infim .ro