Universal Way to Enhance Solution-Processed High-κ Oxide Dielectrics Performance by Sulfate Incorporation

材料科学 电介质 电容 高-κ电介质 氧化物 光电子学 晶体管 介电强度 阈值电压 纳米技术 电压 电极 电气工程 冶金 工程类 化学 物理化学
作者
Wangying Xu,Zihao Zhang,Changjie Zhou,Deliang Zhu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:16 (7): 8960-8973 被引量:3
标识
DOI:10.1021/acsami.3c13977
摘要

Vacuum-free, solution-processable high-κ-oxide dielectrics are considered to be a key element for emerging low-cost flexible electronics. However, they usually suffer from low breakdown strength and frequency-dependent capacitance, which limit their broader applications. Here, we report a universal way to improve solution-based high-κ oxide dielectric properties (e.g., Al2O3, ZrO2, Ga2O3, Sc2O3, Ho2O3, and Sm2O3) by sulfate incorporation. In-depth characterization shows that sulfate incorporation could reduce hydrogen and oxygen vacancy-related defects in high-κ oxides, thereby improving the dielectric performance. The optimized S-doped high-κ oxides show smooth surface (rms < 0.20 nm), low leakage current (∼10–7 A/cm2@4 MV/cm), excellent dielectric breakdown strength (>10 MV/cm), and stable capacitance–frequency characteristics. Besides, oxide thin-film transistors based on these high-κ dielectrics exhibit excellent performance (e.g., mobility >20 cm2 V–1 s–1, on/off ratio of ∼107, threshold swing of ∼0.14 V dec–1, threshold voltage of ∼0 V, and hysteresis of ∼0.02 V). Thus, this work provides a general approach for the development of high-quality solution-based high-κ oxides for transistor circuitry.
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