Thin film transistors (TFTs) with a ferroelectric Hf0.5Zr0.5O2 (HZO) gate insulator (GI) have been reported by using the vacuum process for HZO such as sputtering and atomic layer deposition methods. We report in this paper the ZnO TFT with ferroelectric GI using solution processed AlOx/HZO. AlOx assists in the initiation of ferroelectricity by applying large mechanical stress and provides a sufficient amount of oxygen vacancy to the underlying HZO. X-ray diffraction and capacitance-voltage, polarization-voltage, and anti-clockwise hystereses in the transfer curve confirm the formation of the ferroelectric phase of HZO. The AlOx/HZO TFTs exhibited a field-effect mobility of 140 cm2/V s, an on/off current ratio of 109, and a sub-threshold swing of 0.32 V/decade. The TFT shows a good bias-voltage tunable memory window of ∼4.5 V and memory retention characteristics up to 10 000 s for a programing/erasing voltage of ±10 V with a pulse width of 0.5 s. This work demonstrates the fabrication of ferroelectric HZO TFT using the solution process, and the results can be applied to ferroelectric oxide semiconductor TFT electronics.

1.
T. S.
Böscke
,
J.
Müller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
, in
IEEE International Electron Devices Meeting-Technical Digest, Washington, DC
(
IEEE
,
2011
).
2.
A.
Aziz
,
E. T.
Breyer
,
A.
Chen
,
X.
Chen
,
S.
Datta
,
S. K.
Gupta
,
M.
Hoffmann
,
X.
Hu
,
A.
Ionescu
,
M.
Jerry
,
T.
Mikolajick
,
H.
Mulaosmanovic
,
K.
Ni
,
M.
Niemier
,
I.
O'Connor
,
A.
Saha
,
S.
Slesazeck
,
S. K.
Thirumala
, and
X.
Yin
, in
Design, Automation and Test in Europe (DATE), Dresden, Germany
(
IEEE
,
2018
), Vol.
1
, p.
1289
.
3.
M.
Jerry
,
A.
Aziz
,
K.
Ni
,
S.
Datta
,
S. K.
Gupta
, and
N.
Shukla
, in
IEEE Symposium on VLSI Technology, Honolulu, HI
(
IEEE
,
2018
), Vol.
1
, p.
129
.
4.
T. S.
Böscke
,
J.
Müller
,
D.
Bräuhaus
,
U.
Schröder
, and
U.
Böttger
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
102903
(
2011
).
5.
M. H.
Park
,
Y. H.
Lee
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
, and
C. S.
Hwang
,
MRS Commun.
8
,
795
(
2018
).
6.
Z.
Fan
,
J.
Chen
, and
J.
Wang
,
J. Adv. Dielectr.
06
,
1630003
(
2016
).
7.
M. H.
Park
,
Y. H.
Lee
,
H. J.
Kim
,
Y. J.
Kim
,
T.
Moon
,
K. D.
Kim
,
J.
Müller
,
A.
Kersch
,
U.
Schroeder
,
T.
Mikolajick
, and
C. S.
Hwang
,
Adv. Mater.
27
,
1811
(
2015
).
8.
J.
Müller
,
E.
Yurchuk
,
T.
Schlösser
,
J.
Paul
,
R.
Hoffmann
,
S.
Müller
,
D.
Martin
,
P.
Polakowski
,
J.
Sundqvist
,
M.
Czernohorsky
,
K.
Seidel
,
P.
Kücher
,
R.
Boschke
,
M.
Trentzsch
,
K.
Gebauer
,
U.
Schröder
, and
T.
Mikolajick
, in
Proceedings of the Symposium-VLSI Technology (VLSIT)
(
2012
), Vol.
25
.
9.
S. J.
Kim
,
J.
Mohan
,
S. R.
Summerfelt
, and
J.
Kim
,
JOM
71
,
246
(
2019
).
10.
T. D.
Huan
,
V.
Sharma
,
G. A.
Rossetti
, Jr.
, and
R.
Ramprasad
,
Phys. Rev. B
90
,
064111
(
2014
).
11.
R.
Batra
,
T. D.
Huan
,
J. L.
Jones
,
G.
Rossetti
, Jr.
, and
R.
Ramprasad
,
J. Phys. Chem. C
121
,
4139
(
2017
).
12.
S. K.
Hwang
,
I.
Bae
,
R. H.
Kim
, and
C.
Park
,
Adv. Mater.
24
,
5910
(
2012
).
13.
R. H.
Kim
,
H. J.
Kim
,
I.
Bae
,
S. K.
Hwang
,
D. B.
Velusamy
,
S. M.
Cho
,
K.
Takaishi
,
T.
Muto
,
D.
Hashizume
,
M.
Uchiyama
,
P.
André
 et al,
Nat. Commun.
5
,
3583
(
2014
).
14.
M.-K.
Kim
and
J.-S.
Lee
,
Adv. Mater.
32
,
1907826
(
2020
).
15.
H.
Liu
,
T.
Lu
,
Y.
Li
,
Z.
Ju
,
R.
Zhao
,
J.
Li
,
M.
Shao
,
H.
Zhang
,
R.
Liang
,
X. R.
Wang
,
R.
Guo
,
J.
Chen
,
Y.
Yang
, and
T.-L.
Ren
,
Adv. Sci.
7
,
2001266
(
2020
).
16.
C.-P.
Chou
,
Y.-X.
Lin
,
Y.-K.
Huang
,
C.-Y.
Chan
, and
Y.-H.
Wu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
1014
(
2020
).
17.
H.
Yu
,
C.-C.
Chung
,
N.
Shewmon
,
S.
Ho
,
J. H.
Carpenter
,
R.
Larrabee
,
T.
Sun
,
J. L.
Jones
,
H.
Ade
,
B. T.
O'Connor
, and
F.
So
,
Adv. Funct. Mater.
27
,
1700461
(
2017
).
18.
D.-H.
Min
,
T.-H.
Ryu
,
S.-J.
Yoon
,
S.-E.
Moon
, and
S.-M.
Yoon
,
J. Mater. Chem. C
8
,
7120
(
2020
).
19.
M.
Si
,
J.
Andler
,
X.
Lyu
,
C.
Niu
,
S.
Datta
,
R.
Agrawal
, and
P. D.
Ye
,
ACS Nano
14
,
11542
(
2020
).
20.
M.
Halter
,
L. B.
Lours
,
V.
Bragaglia
,
M.
Sousa
,
B. J.
Offrein
,
S.
Abel
,
M.
Luisier
, and
J.
Fompeyrine
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
12
,
17725
(
2020
).
21.
M. –K.
Kim
and
J. –S.
Lee
,
Nano Lett.
19
,
2044
(
2019
).
22.
Y.
Liu
,
W.
Chen
,
L.
Zhao
,
J.
Guo
,
C.
Yang
,
X.
Wang
,
W.
Huang
,
T.-L.
Ren
, and
J.
Xu
,
Adv. Elect. Mater.
5
,
1900588
(
2019
).
23.
Y.
Li
,
R.
Liang
,
J.
Wang
,
Y.
Zhang
,
H.
Tian
,
H.
Liu
,
S.
LI
,
W.
Mao
,
Y.
Pang
,
Y.
Li
,
Y.
Yang
, and
T.-L.
Ren
,
IEEE J. Electron Devices Soc.
5
,
378
(
2017
).
24.
J. K.
Saha
,
R. N.
Bukke
,
N. N.
Mude
, and
J.
Jang
,
Sci. Rep.
10
,
8999
(
2020
).
25.
J. K.
Saha
,
R. N.
Bukke
,
N. N.
Mude
, and
J.
Jang
,
Nanomaterials
10
,
976
(
2020
).
26.
M. M.
Hasan
,
M. M.
Islam
,
X.
Li
,
M.
He
,
R.
Manley
,
J.
Chang
,
N.
Zhelev
,
K.
Mehortra
, and
J.
Jang
,
IEEE Trans. Electron Devices
67
,
1751
(
2020
).
27.
J.
Wang
,
D.
Wang
,
Q.
Li
,
A.
Zhang
,
D.
Gao
,
M.
Guo
,
J.
Feng
,
Z.
Fan
,
D.
Chen
,
M.
Qin
,
M.
Zeng
,
X.
Gao
,
G.
Zhou
,
X.
Lu
, and
J.-M.
Liu
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
1937
(
2019
).
28.
T.
Shiraishi
,
K.
Katayama
,
T.
Yokouchi
,
T.
Shimizu
,
T.
Oikawa
,
O.
Sakata
,
H.
Uchida
,
Y.
Imai
,
T.
Kiguchi
,
T. J.
Konno
, and
H.
Funakubo
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
262904
262901
(
2016
).
29.
C.
Abe
,
S.
Nakayama
,
M.
Shiokawa
,
H.
Kawashima
,
K.
Katayama
,
T.
Shiraishi
,
T.
Shimizu
,
H.
Funakubo
, and
H.
Uchida
,
Ceram. Int.
43
,
S501
(
2017
).
30.
S.
Nakayama1
,
H.
Funakubo
, and
H.
Uchida
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
57
,
11UF06
(
2018
).
31.
Y. C.
Luo
,
J.
Hur
,
P.
Wang
,
A. I.
Khan
, and
S.
Yu
,
Appl. Phys. Lett.
117
,
073501
(
2020
).
32.
S.
Ramanathan
,
D. A.
Muller
,
G. D.
Wilk
,
C. M.
Park
, and
P.
McIntyre
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
3311
(
2001
).
33.
Y.
Qu
,
J.
Li
,
M.
Si
,
X.
Lyu
, and
P. D.
Ye
,
IEEE Trans. Electron Devices
67
,
5315
(
2020
).
34.
Y.
Chen
,
C.
Su
,
C.
Hu
, and
T.
Wu
,
IEEE Electron Device Lett.
40
,
467
(
2019
).
35.
N.
Konofaos1
and
E. K.
Evangelou
,
Semicond. Sci. Technol.
18
,
56
(
2003
).
36.
K.
Toprasertpong
,
M.
Takenaka
, and
S.
Takagi
, in
International Electron Device Meeting-Technical Digest
(
2019
), Vol.
570
.
37.
Y.
Higashi
,
N.
Ronchi
,
B.
Kaczer
,
K.
Banerjee
,
S. R. C.
McMitchell
,
B. J.
O'Sullivan
,
S.
Clima
,
A.
Minj
,
U.
Celano
,
L. D.
Piazza
,
M.
Suzuki
,
D.
Linten
, and
J.
Van Houd
, in
International Electron Device Meeting-Technical Digest
(
2019
), Vol.
358
.
38.
M.
Mohit
,
T.
Murakami
,
K.-I.
Haga
, and
E.
Tokumitsu
,
Jpn. J. Appl. Phys., Part 1
59
,
SPPB03
(
2020
).
39.
H.
Sun
,
Q.
Wang
,
Y.
Li
,
Y.-F.
Lin
,
Y.
Wang
,
Y.
Yin
,
Y.
Xu
,
C.
Liu
,
K.
Tsukagoshi
,
L.
Pan
,
X.
Wang
,
Z.
Hu
, and
Y.
Shi
,
Sci. Rep.
4
,
7227
(
2015
).
40.
M.
Xu
,
S.
Guo
,
L.
Xiang
,
T.
Xu
,
W.
Xie
, and
W.
Wang
,
IEEE Trans. Electron Devices
65
,
1113
(
2018
).
41.
F. P. G.
Fengler
,
T.
Schenk
,
E. D.
Grimley
,
S.
Slesazeck
,
M.
Pešić
,
J. M.
LeBeau
,
T.
Mikolajick
,
A.
Padovani
,
X.
Sang
,
U.
Schroeder
, and
L.
Larcher
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
4601
(
2016
).
42.
W.
Tang
,
J.
Zhao
,
Y.
Huang
,
L.
Ding
,
Q.
Li
,
J.
Li
,
P.
You
,
F.
Yan
, and
X.
Guo
,
IEEE Electron Device Lett.
38
,
748
(
2017
).
43.
R.
Sugano
,
T.
Tashiro
,
T.
Sekine
,
H.
Matsui
,
D.
Kumaki
,
F. D. D.
Santos
,
A.
Miyabo
, and
S.
Tokito
,
Phys. Status Solidi A
215
,
1701059
(
2018
).
44.
M. H.
Park
,
Y. H.
Lee
,
H. J.
Kim
,
Y. J.
Kim
,
T.
Moon
,
K. D.
Kim
,
S. D.
Hyun
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
, and
C. S.
Hwang
,
Nanoscale
10
,
716
(
2018
).
45.
B.
Ku
,
S.
Choi
,
Y.
Song
, and
C.
Choi
, in
IEEE Symposium on VLSI Technology
, Honolulu, HI (
2020
), p.
1
.
46.
M. I.
Morozov
and
D.
Damjanovic
,
J. Appl. Phys.
104
,
034107
(
2008
).
47.
X.
Du
and
I. W.
Chen
,
J. Appl. Phys.
83
,
7789
(
1998
).
48.
A. K.
Tagantsev
,
I.
Stolichnov
,
E. L.
Colla
, and
N.
Setter
,
J. Appl. Phys.
90
,
1387
(
2001
).
49.
C.
Ko
,
M.
Shandalov
,
P. C.
McIntyre
, and
S.
Ramanathan
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
082102
(
2010
).
50.
M. H.
Park
,
D. H.
Lee
,
K.
Yang
,
J.-Y.
Park
,
G. T.
Yu
,
H. W.
Park
,
M.
Materano
,
T.
Mittmann
,
P. D.
Lomenzo
,
T.
Mikolajick
,
U.
Schroeder
, and
C. S.
Hwang
,
J. Mater. Chem. C
8
,
10526
(
2020
).
51.
Y.
Zhou
,
Y. K.
Zhang
,
Q.
Yang
,
J.
Jiang
,
P.
Fan
,
M.
Liao
, and
Y. C.
Zhou
,
Comput. Mater. Sci.
167
,
143
(
2019
).
52.
M.
Hoffmann
,
U.
Schroeder
,
T.
Schenk
,
T.
Shimizu
,
H.
Funakubo
,
O.
Sakata
,
D.
Pohl
,
M.
Drescher
,
C.
Adelmann
,
R.
Materlik
,
A.
Kersch
, and
T.
Mikolajick
,
J. Appl. Phys.
118
,
072006
(
2015
).
53.
Y. H.
Lee
,
H. J.
Kim
,
T.
Moon
,
K. D.
Kim
,
S. D.
Hyun
,
H. W.
Park
,
Y. B.
Lee
,
M. H.
Park
, and
C. S.
Hwang
,
Nanotechnology
28
,
305703
(
2017
).
You do not currently have access to this content.