Device Architecture and Materials for Organic Ferroelectric Memory Arrays

218 Pages·2014·35.8 MB·English

by  Benjamin Kam

ARENBERG DOCTORAL SCHOOL
Faculty of Engineering Science
Device Architecture and
Materials for Organic
Ferroelectric Memory Arrays
Benjamin Kam
Dissertation presented in partial
fulfillment of the requirements for the
degree of Doctor in Engineering
February 2014

Device Architecture and Materials for Organic Fer-
roelectric Memory Arrays
Benjamin KAM
Supervisory Committee: Dissertation presented in partial
Prof. Dr. ir. Hugo Hens, chair fulfillment of the requirements for
Prof. Dr. ir. Paul Heremans, supervisor the degree of Doctor
Dr. ir. Gerwin Gelinck, co-supervisor in Engineering
(TNO / Holst Centre, Eindhoven, NL)
Prof. Dr. ir. Wim Dehaene
Prof. Dr. ir. Dirk Wouters In collaboration with imec
Prof. Dr. Gustaaf Borghs Kapeldreef 75
B-3001 Heverlee – Belgium
Prof. Dr. ir. Alain M. Jonas
(Université catholique de Louvain)
Prof. Dr. ir. Paul W. M. Blom
(Max Planck Institute for Polymer Research)
February 2014
© KU Leuven – Faculty of Engineering Science
Kasteelpark Arenberg 10, B-3001 Heverlee (Belgium)
Allerechtenvoorbehouden. Nietsuitdezeuitgavemagwordenvermenigvuldigd
en/of openbaar gemaakt worden door middel van druk, fotocopie, microfilm,
elektronisch of op welke andere wijze ook zonder voorafgaande schriftelijke
toestemming van de uitgever.
All rights reserved. No part of the publication may be reproduced in any form
by print, photoprint, microfilm or any other means without written permission
from the publisher.
D/2014/7515/28
ISBN 978-94-6018-804-6
Acknowledgements
Het is zover. Na vier en een half jaar intensief en boeiend onderzoek, leg ik de
laatste hand aan dit werk, waar ik terecht trots op kan zijn. Daarenboven was
deze periode een bijzonder leerrijke ervaring voor mij. Dat ik dit allemaal heb
kunnen bereiken is dankzij verschillende personen, die ik dan ook uitdrukkelijk
wil bedanken.
In de eerste plaats, wil ik mijn promotoren Prof. Paul Heremans en Dr. Gerwin
Gelinck bedanken. Ze hebben mij de kans gegeven om te starten aan een
uitdagend doctoraatsonderzoek, dat bovendien kaderde in het Europees project
MOMA, wat voor een extra meerwaarde zorgde. Meer nog, wil ik hen bedanken
voor de inzichtelijke discussies, hun drijfveer om me steeds tot een hoger niveau
te tillen, de vele suggesties en de blijvende steun in de voorbije jaren.
I am very grateful to the members of the examination committee, Prof. Wim
Dehaene,Prof. DirkWouters,Prof. GustaafBorghs,Prof. AlainJonasandProf.
Paul Blom. Thank you for taking interest in my work, for careful reviewing of
the manuscript and for providing me feedback to improve the quality of this
work. I would also like to thank Prof. Hugo Hens for chairing both preliminary
and public defenses.
SpecialthanksgoestoDavidandBarry, mydailysupervisorsduringmyMaster
thesis on organic photovoltaic cells. Under their excellent guidance, I was
introduced in the world of organic technology. Thank you for inspiring me, and
showing me how exciting research can be. Although I eventually went to the
’dark side’, I will always remain an OPV guy on the inside.
Het begin van iets nieuws kan wel beangstigend zijn, en zo ook in een doctoraat.
Gelukkig was er Sarah en Luuk, die enthousiast me op weg hielp in de eerste
maanden. Sarah, bedankt voor je hulp bij het administatief werk, bij het
opzetten van de eerste experimenten en bij het voorbereiden van de IWT
aanvraag en verdediging. Dat zowel Maarten als ik een IWT beurs hebben
gehaald is zonder twijfel dankzij je zorgvuldig nalezen en corrigeren. Je
i
ii ACKNOWLEDGEMENTS
organisatietalent overrompelde me soms, maar daardoor heb ik iets ervan
kunnen opsteken. Luuk, bedankt om me de fijne kneepjes te leren van het UFO
systeem en de gloveboxes, om er voor te zorgen dat er altijd muziek is in het
lab, en voor de ontelbare keren dat ik je heb mogen lastig vallen voor vragen,
hulp aan de systemen of om iets te laten maken bij de mechanische workshop.
En bovenal, bedankt beiden voor jullie geduld.
Thisworkcouldnothavebeenpossiblewithoutaclosecollaborationwithmany
external people. I am thankful to the members of the MOMA project for great
discussions, especially Alessio from Solvay and Albert from Holst Centre for
sharing with me the tips and tricks in processing of P(VDF-TrFE). Special
thanks to Xiaoran who aided me in the SKPM measurement and to Edsger for
the fruitful discussions. Uit de elektronische werkplaats wil ik Albert Debie
bedanken voor de assistentie bij het maken van de ferroelectrische hysteresis
meetsetup, en Frank voor de spontane aanbieding van hulp, iedere keer als ik
daar binnensprong. Aansluitend aan deze rij wil ik ook Gert van Heck uit Holst
Centre bedanken voor de vele uren werk aan de geautomatiseerde meetsetups.
Verder had ik graag ook Bas willen bedanken voor de vele wafers, and Brian for
the useful discussions. Furthermore, thanks Ben Kaczer for helping me with the
hysteresis loop measurement setup, as well as for helping me understand how
to correct the measured loops. A special thanks to my former master thesis
students, Adrian, Manav Tyagi, Claudio Cristoferi and Astrid van der Rest,
who have greatly contributed to this work through process optimizations and
exploring new ideas.
Daarnaastwilikallecollega’sinhetLAE-teambedankenvoordesamenwerking
en de aangename werksfeer. Kris, bedankt voor de vele maskerdesigns, onze
leuke gesprekken en brainstormsessies aan het bord. Dankje Erwin, Johan2,
Kim, Myriam, Peter en Steve voor alle hulp in en rondom de cleanroom. Extra
bedankt aan Myriam, de SEM-meesteres, voor de prachtige SEM beelden van
een niet gemakkelijk beeld te maken materiaal. Bij vragen rond chemie kon
ik altijd terecht bij Robert M. Bedankt hiervoor, alsook voor de vele contact
angle metingen. Hartelijk dank aan Karolien en Kjell voor de XRD metingen
en me te helpen met de interpretatie ervan. Dezelfde Karolien, en Cedric wil
ik bedanken om me alles over het AFM meettoestel te onderwijzen. Marc,
bedankt om de meetsetups over te nemen, en voor onze leuke gesprekken rond
fotografie. Thanks to Alexander for the many scientific discussions we had on
dipoles. Also thanks for the memorable time in San Francisco, together with
Afshin and Maarten. In addition, thanks to Andriy for the helpful discussions.
Ajay, I thoroughly enjoy our discussions on physics of the oxide transistors,
even though I’m not really an oxide guy. In my tries to join the oxide club, I
have to thank Manoj and Adrian for the oxide depositions. Many thanks to
our team leader, Soeren for the valuable advices, suggestions and discussions.
ACKNOWLEDGEMENTS iii
In particular, I enjoyed our talks on research in a broader perspective. Alsook
dank aan Jan, onze groepsleider, voor eveens de waardevolle adviezen, de vele
tipsendiscussiesenomdatjealtijdklaarstondomtehelpen. Inge,keeropkeer
wist je me te verbazen door in een mum van tijd meetings en andere praktische
zaken te regelen. Bedankt voor alle hulp!
Special thanks goes to my cubicle mates, Adrian, Tung Huei and Maarten for
sharing ideas, stimulating discussions, and above all: the cookies and sweets.
Adriaantje, bedankt om altijd naar mij gezever te luisteren, en om mij te tonen
waar de beste broodjeszaak in Leuven zich bevindt. Tung Huei, the most
hardworking person I know, many thanks for your thorough optimizations in
Chamber 2, your help in the patterning and your valuable suggestions. En
dan Maarten, mijn partner-in-crime, wat een avontuur hé. Al in onze Master
opleiding vormden we steevast een goed team, en dit was niet anders zo tijdens
ons doctoraat. Je enthousiasme en drijfveer werkte aanstekelijk, en motiveerde
me dat extra meer. En geen probleem hoor, het was een plezier om de zeer
interessante cursus eco-design te volgen, desondanks dat we er eigenlijk geen
tijd voor hadden! Bedankt voor deze geweldige periode!
I would also like to thank the remaining members of the LAE-team, as well
as the ex-members, for the fun chats during breaks or in the lab during this
wonderful time: Albert J., Bjöern, Bregt, Claudio G., Dieter, Eszter, Florian,
Griet, Jeffrey, Joao, Koji, Pavlo, Pawel, Robert G., Takafumi, Tom, Wan-Yu,
Weiming and Ziyang. In addition, thanks for the movie nights, group outings
and PhD dinners. To the past and current PhD students, it was great having
people to share the laughs and tears that occur in a PhD. To those still in their
journeys, I wish you all the best! Afterwards, when you look back, it will be
one of the greatest periods in your life.
GraagwilikookhetagentschapvoorInnovatiedoorWetenschapenTechnologie
(IWT) bedanken voor de financiële steun.
Naast het werk is een goede dosis ontspanning nodig. Hiervoor kon ik steevast
rekenen op mijn vrienden uit de middelbare school. Bedankt aan Dennis &
Sven, Ken & Sara en William voor de vele plezierige restaurantbezoeken en
gezellig thuis koken. Dank ook aan Filip, Jeroen en Kevin voor de avondjes
uit in Antwerpen of gezelschapsavonden. Anthony, je inspireert me om ooit
wel eens een eigen bedrijfje te starten en CEO te zijn. Uiteraard mogen mijn
(ex)-kotgenotennietontbreken. Jan,Fots,zondertwijfelhebbendeveleavonden
’Le Havre’, ’Agricola’ en ’Ora et Labora’ mijn redeneringsvermogen verhoogd
en zo rechtstreeks bijgedragen aan mijn doctoraat. Fots, bedankt voor de
behulpzame tips voor het schrijven op het moment dat ik het dringend nodig
had. Verder moet ik Kobe, mijn mentor in awesomeness, bedanken for being
awesome. Mich, bedankt voor je legendarische preek in Oostduinkerke. Als ik
iv ACKNOWLEDGEMENTS
ooitinhetbuitenlandterechtkom,danzalhetvooreendeelhebbenbijgedragen
aan de beslissing. I also would like to thank the people from the Master of
’Nano’ for supporting each other during our PhD, in and out between the sushi
nights. Together, we will soon all finish our PhDs! En in de laatste jaren heb
ik met de toffe mensen uit de Japanse les vele uitstapjes mogen maken naar
Japanse restaurants en conventies. ありがとう、まいしゅうとてもたのしで
す。 Bedankt allen voor de jarenlange vriendschap en de leuke tijden die we
hebben meegemaakt, en die nog zullen komen.
Last but not least, I would like to thank my incredible family. Many thanks to
my parents, who have always ensured the best for me and to my sister, who
is supportive in everything I do, and always tries to make me into a better
person. Also many thanks to my cousins in Belgium: Kathleen, Owen, Pinky,
Tessa and Vinci for their continuous support. A special thanks to my family in
Vancouver, Auntie, Uncle, Gina, Liza, Mina and Norma for letting me stay over
when I combined a visit with my SF conference trip. I had much fun hanging
around with you, as if we have always know each other. This goes as well for
my family in Hong Kong and in the rest of the world. I could always count
on great enthusiasm and heartwarming feel whenever I came for a visit. This
continues to remind me how strong family bonds are, no matter how far apart
you are.
Abstract
In recent years, organic thin-film electronics have emerged as a route towards
flexible, low-cost, large area applications, which are unfeasible in the current
silicon technology. For example, low-cost radio frequency identification (RFID)
tags that can be placed on any object, as envisioned by the ’Internet of
Things’,forsmartlabeling,security,monitoring,ortrackingpurposes. Forthese
applications, a nonvolatile memory functionality is crucial for their intended
operation. Therefore, simultaneous to the development of organic transistors
and circuits, progress needs to be made towards a compatible nonvolatile,
electrically reprogrammable memory array.
In this doctoral research, we aim to realize such an organic memory array
that can be integrated with the organic logic circuits on the same, flexible
substrate. More specifically, we focus on the device architecture and materials
of ferroelectric field-effect transistors (FeFET) as the basic memory unit.
The objective of this work was pursued by a combination of i) technological
advancements over the state-of-the-art; ii) further understanding of the device
operation; iii) devising a read-and write scheme suited for an array; and iv) use
of novel materials and device architectures.
By optimizing the processing conditions, we demonstrate high-performance
bottom gate - top contact (BG-TC) FeFETs with pentacene as the organic
semiconductor, as shown in Chapter 2. These memory devices can switch
within a few ms, and can be cycled for at least 10000 times. In addition,
we experimentally demonstrate a long term retention data of more than one
year. These results make this device highly promising for non-volatile memory
applications.
Unexpectedly for a bi-stable material, the BG-TC FeFET shows three
reprogrammable memory states: ’OFF’, ’Intermediate’ and ’ON’ state. Using
Scanning Kelvin Probe Microscopy, we elucidate the device operation in this
device structure in Chapter 3. These measurements show that the ferroelectric
v
vi ABSTRACT
layer in the channel region of the FeFET is not fully polarized in the ’OFF’ and
’Intermediate’ states. The difference between these two states can be explained
by a different injection property of the contacts, caused by the ferroelectric
polarizationstateunderneath the source-drain contacts. Thisrefinementclarifies
thepeculiaritiesexperimentallyfoundinliterature, aswellasinourownresults.
To integrate with organic circuits, as well as to fabricate memory arrays,
photolithography must be used. In addition, the bottom gate - bottom contact
(BG-BC) device architecture needs to be adopted. By further technology
development, we realize such a memory FeFET that can be integrated with
current state-of-the-art organic circuits on flexible substrates, as demonstrated
inChapter4. Moreover,weemploythistechnologytofabricateapassiveNAND
array, as described in Chapter 5. The NAND architecture was chosen, as it
offers the highest possible density of all transistor memory arrays. Despite the
fact that passive arrays are more challenging to reliably address all FeFETs, we
demonstrate a non-destructive read and write operation in the NAND array.
Finally, novel device architecture and materials are explored to improve the
memory characteristics in Chapter 6. Replacing pentacene with novel, high-
mobility semiconductors alone are proven to be unsuccessful to enlarge the
memorywindowintheBG-BCFeFET.Ontheotherhand,byadaptingaplanar
heterojunction structure in the device, the memory window can be significantly
enlarged by 30-60 %. The heterojunction device architecture is promising
for further improvements, as many combinations of organic semiconducting
materials are possible.