Search Posts

Hafnium-anvendelse

| : No comments

(maskinoversættelse til dansk)

Forbedret ferroelektricitet i ultratynde film dyrket direkte på silicium

Natur bind 580 , sider478–482 ( 2020 ) Citér denne artikel

En udgiverkorrektion til denne artikel blev offentliggjort den 06. maj 2020

Denne artikel er blevet opdateret

Abstrakt

Ultratynde ferroelektriske materialer kunne potentielt muliggøre laveffektlogik og ikke-flygtige hukommelser 1 , 2 . Da ferroelektriske materialer gøres tyndere, er ferroelektriciteten dog normalt undertrykt. Størrelseseffekter i ferroelektrik er blevet grundigt undersøgt i perovskitoxider – det arketypiske ferroelektriske system 3 . Perovskites har dog indtil videre vist sig uegnede til tykkelsesskalering og integration med moderne halvlederprocesser 4 . Her rapporterer vi ferroelektricitet i ultratyndt doteret hafniumoxid (HfO 2), et fluorit-strukturoxid dyrket ved atomlagsaflejring på silicium. Vi demonstrerer vedvarende inversionssymmetribrud og spontan, omskiftelig polarisering ned til en tykkelse på en nanometer. Vores resultater indikerer ikke kun fraværet af en ferroelektrisk kritisk tykkelse, men også forbedrede polære forvrængninger, da filmtykkelsen reduceres, i modsætning til perovskit ferroelektrik. Denne tilgang til at forbedre ferroelektricitet i ultratynde lag kunne give en rute mod polarisationsdrevne hukommelser og ferroelektrisk-baserede avancerede transistorer. Dette arbejde flytter søgen efter de grundlæggende grænser for ferroelektricitet til enklere overgangsmetaloxidsystemer – dvs.

 
 

 

Referencer

  1. Junquera, J. & Ghosez, P. Kritisk tykkelse for ferroelektricitet i perovskit ultratynde film. Nature 422 , 506-509 (2003).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  2. Mikolajick, T., Slesazeck, S., Park, M. & Schroeder, U. Ferroelektrisk hafniumoxid til ferroelektriske random-access-hukommelser og ferroelektriske felteffekttransistorer. FRU Bull . 43 , 340-346 (2018).

    ADS CAS Google Scholar 

  3. Dawber, M., Rabe, KM & Scott, JF Fysik af tynd-film ferroelektriske oxider. Rev. Mod. Phys . 77 , 1083-1130 (2005).

    ADS CAS Google Scholar 

  4. Schlom, DG, Guha, S. & Datta, S. Gate-oxider ud over SiO 2 . FRU Bull . 33 , 1017-1025 (2008).

    CAS Google Scholar 

  5. Lines, ME & Glass, AM Principper og anvendelser af ferroelektrik og relaterede materialer (Oxford Univ. Press, 1977).

  6. Ahn, C., Rabe, K. & Triscone, J. Ferroelektricitet på nanoskala: lokal polarisering i oxidtynde film og heterostrukturer. Science 303 , 488-491 (2004).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  7. Fong, DD et al. Ferroelektricitet i ultratynde perovskitfilm. Science 304 , 1650-1653 (2004).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  8. Tenne, DA et al. Undersøgelse af ferroelektricitet i nanoskala ved ultraviolet Raman-spektroskopi. Science 313 , 1614-1616 (2006).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  9. Warusawithana, MP et al. Et ferroelektrisk oxid fremstillet direkte på silicium. Science 324 , 367-370 (2009).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  10. Dubourdieu, C. et al. Skift af ferroelektrisk polarisation i epitaksiale BaTiO 3 – film på silicium uden en ledende bundelektrode. Nat. Nanoteknologi . 8 , 748-754 (2013).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  11. Schlom, DG & Haeni, JH En termodynamisk tilgang til udvælgelse af alternativ gate-dielektrik. FRU Bull . 27 , 198-204 (2002).

    CAS Google Scholar 

  12. Böscke, TS, Müller, J., Bräuhaus, D., Schröder, U. & Böttger, U. Ferroelektricitet i hafniumoxid tynde film. Appl. Phys. Lett . 99 , 102903 (2011).

    ADS Google Scholar 

  13. Park, MH et al. Ferroelektricitet og antiferroelektricitet af dopede tynde HfO 2 -baserede film. Adv. Mater . 27 , 1811-1831 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar 

  14. Robertson, J. Gateoxider med høj dielektrisk konstant til Si-transistorer af metaloxid. Rep. Prog. Phys . 69 , 327 (2006).

    ADS CAS Google Scholar 

  15. Muller, J. et al. Ferroelektrisk hafniumoxid: en CMOS-kompatibel og meget skalerbar tilgang til fremtidige ferroelektriske hukommelser. I 2013 IEEE Int. Elektronenheder mødes. (IEDM) 10.8.1-10.8.4 (IEEE, 2013).

  16. Park, M., Lee, Y., Mikolajick, T., Schroeder, U. & Hwang, C. Gennemgang og perspektivering af ferroelektriske HfO 2 – baserede tynde film til hukommelsesapplikationer. MRS Kommune . 8 , 795-808 (2018).

    CAS Google Scholar 

  17. Wong, JC & Salahuddin, S. Negative kapacitanstransistorer. Proc. IEEE 107 , 49-62 (2019).

    CAS Google Scholar 

  18. Kwon, D. et al. Forbedret subthreshold swing og kort kanal effekt i FDSOI n-kanal negativ kapacitans felteffekt transistorer. IEEE Electron Device Lett . 39 , 300-303 (2018).

    ADS CAS Google Scholar 

  19. Salahuddin, S., Ni, K. & Datta, S. Hyper-scaling-æraen i elektronik. Nat. Elektron . 1 , 442-450 (2018).

    Google Scholar 

  20. Merz, WJ Effekten af ​​hydrostatisk tryk på Curie-punktet af bariumtitanat-enkeltkrystaller. Phys. Rev. _ 78 , 52 (1950).

    ADS CAS Google Scholar 

  21. Ohtaka, O. et al. Faseforhold og volumenændringer af hafnia under højt tryk og høj temperatur. J. Am. Ceram. Soc . 84 , 1369-1373 (2001).

    CAS Google Scholar 

  22. Materlik, R., Künneth, C. & Kersch, A. Oprindelsen af ​​ferroelektricitet i Hf 1− x Zr x O 2 : en beregningsundersøgelse og en overfladeenergimodel. J. Appl. Phys . 117 , 134109 (2015).

    ADS Google Scholar 

  23. Xiao, J. et al. Iboende todimensionel ferroelektricitet med dipollåsning. Phys. Rev. Lett . 120 , 227601 (2018).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  24. Vasudevan, RK, Balke, N., Maksymovych, P., Jesse, S. & Kalinin, SV Ferroelektrisk eller ikke-ferroelektrisk: hvorfor så mange materialer udviser "ferroelektricitet" på nanoskala. Appl. Phys. Rev. _ 4 , 021302 (2017).

    ADS Google Scholar 

  25. Balke, N. et al. Differentiering af ferroelektriske og ikke-ferroelektriske elektromekaniske effekter med scanning probe mikroskopi. ACS Nano 9 , 6484-6492 (2015).

    CAS PubMed Google Scholar 

  26. Collins, L., Liu, Y., Ovchinnikova, OS & Proksch, R. Kvantitativ elektromekanisk atomkraftmikroskopi. ACS Nano 13 , 8055-8066 (2019).

    CAS PubMed Google Scholar 

  27. Disa, AS et al. Orbital engineering i symmetri-brydende polære heterostrukturer. Phys. Rev. Lett . 114 , 026801 (2015).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  28. Wei, Y. et al. En rhombohedral ferroelektrisk fase i epitaksialt spændte Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 tynde film. Nat. Mater . 17 , 1095-1100 (2018).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  29. Lyu, J., Fina, I., Solanas, R., Fontcuberta, J. & Sánchez, F. Vækstvindue for ferroelektriske epitaksiale Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 tynde film. ACS Appl. Elektron. Mater . 1 , 220-228 (2019).

    CAS Google Scholar 

  30. Schlom, DG et al. Elastisk strain engineering af ferroiske oxider. FRU Bull . 39 , 118-130 (2014).

    CAS Google Scholar 

  31. Park, MH et al. Udvikling af faser og ferroelektriske egenskaber af tynde Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 film i henhold til tykkelsen og udglødningstemperaturen. Appl. Phys. Lett . 102 , 242905 (2013).

    ADS Google Scholar 

  32. Tian, ​​X. et al. Udvikling af ferroelektrisk HfO 2 i ultratynd region ned til 3 nm. Appl. Phys. Lett . 112 , 102902 (2018).

    ADS Google Scholar 

  33. Richter, C. et al. Si-doteret hafniumoxid – et "skørt" ferroelektrisk system. Adv. Elektron. Mater . 3 , 1700131 (2017).

    Google Scholar 

  34. Stengel, M. & Spaldin, NA Oprindelsen af ​​det dielektriske døde lag i nanoskala kondensatorer. Nature 443 , 679-682 (2006).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  35. Kim, SJ, Mohan, J., Summerfelt, SR & Kim, J. Ferroelectric Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 tyndfilm: en gennemgang af de seneste fremskridt. JOM 71 , 246-255 (2019).

    ADS Google Scholar 

  36. Schlom, DG et al. Strain tuning af ferroelektriske tyndfilm. Annu. Rev. Mater. Res . 37 , 589-626 (2007).

    ADS CAS Google Scholar 

  37. Haeni, JH et al. Stuetemperatur ferroelektricitet i belastet SrTiO3 . Nature 430 , 758-761 (2004).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  38. Zubko, P., Catalan, G. & Tagantsev, AK Flexoelektrisk effekt i faste stoffer. Annu. Rev. Mater. Res . 43 , 387-421 (2013).

    ADS CAS Google Scholar 

  39. Jariwala, D., Marks, TJ & Hersam, MC Blandede dimensionelle van der Waals heterostrukturer. Nat. Mater . 16 , 170-181 (2017).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  40. Kwon, D. et al. Negativ kapacitans FET med 1,8 nm tyk Zr-doteret HfO 2 oxid. IEEE Electron Device Lett . 40 , 993-996 (2019).

    ADS CAS Google Scholar 

  41. Lee, MH et al. Fysisk tykkelse 1,x nm ferroelektriske HfZrO x negativ kapacitans FET'er. I 2016 IEEE Int. Elektronenheder mødes. (IEDM) 12.1.1–12.1.4, https://ieeexplore.ieee.org/document/7838400/ (IEEE, 2016).

  42. Karbasian, G. et al. Stabilisering af ferroelektrisk fase i wolframkapslet Hf 0,8 Zr 0,2 O 2 . Appl. Phys. Lett . 111 , 022907 (2017).

    ADS Google Scholar 

  43. Rodriguez, BJ, Callahan, C., Kalinin, SV & Proksch, R. Dual-frequency resonance-tracking atomic force microscopy. Nanotechnology 18 , 475504 (2007).

    ADS Google Scholar 

  44. Jesse, S., Lee, HN & Kalinin, SV Kvantitativ kortlægning af skifteadfærd i piezoresponskraftmikroskopi. Rev. Sci. Instrument . 77 , 073702 (2006).

    ADS Google Scholar 

  45. Hong, S. et al. Princip for ferroelektrisk domænebilleddannelse ved hjælp af atomkraftmikroskop. J. Appl. Phys . 89 , 1377-1386 (2001).

    ADS CAS Google Scholar 

  46. Strelcov, E. et al. Rolle af målespænding på hysterese-løkkeform i piezoresponskraftmikroskopi. Appl. Phys. Lett . 101 , 192902 (2012).

    ADS Google Scholar 

  47. Leu, C.-C. et al. Domænestrukturstudie af SrBi 2 Ta 2 O 9 ferroelektriske tynde film ved scanning kapacitans mikroskopi. Appl. Phys. Lett . 82 , 3493-3495 (2003).

    ADS CAS Google Scholar 

  48. Chernikova, A. et al. Ultratynde Hf 0,5 Zr 0,5 O 2 ferroelektriske film på Si. ACS Appl. Mater. Interf . 8 , 7232-7237 (2016).

    CAS Google Scholar 

  49. Sang, X., Grimley, ED, Schenk, T., Schroeder, U. & LeBeau, JM Om den strukturelle oprindelse af ferroelektricitet i HfO 2 tyndfilm. Appl. Phys. Lett . 106 , 162905 (2015).

    ADS Google Scholar 

  50. Böscke, T. Crystalline Hafnia and Zirconia Based Dielectrics for Memory Applications PhD-afhandling, Hamburg University of Technology, https://cuvillier.de/en/shop/publications/763-crystalline-hafnia-and-zirconia-based-dielectrics-for -hukommelsesapplikationer (2010).

  51. Zhao, C., Roebben, G., Heyns, MM & Van der Biest, O. Krystallisation og tetragonal-monoklin transformation i ZrO 2 og HfO 2 dielektriske tynde film. Key Eng. Mater . 206-213 , 1285-1288 (2001).

    Google Scholar 

  52. Kriegner, D., Wintersberger, E. & Stangl, J. xrayutilities: et alsidigt værktøj til gensidig rumkonvertering af spredningsdata optaget med lineære og arealdetektorer. J. Appl. Kryst . 46 , 1162-1170 (2013).

    CAS Google Scholar 

  53. Lichtensteiger, C., Triscone, J., Junquera, J. & Ghosez, P. Ferroelektricitet og tetragonalitet i ultratynde PbTiO 3 – film. Phys. Rev. Lett . 94 , 047603 (2005).

    ADS PubMed Google Scholar 

  54. Park, MH et al. En omfattende undersøgelse af den strukturelle udvikling af HfO 2 tynde film dopet med forskellige dopingmidler. J. Mater. Chem. C 5 , 4677-4690 (2017).

    CAS Google Scholar 

  55. Young, AT et al. Variabel lineær polarisering fra en røntgenundulator. J. Synch. Rad . 9 , 270-274 (2002).

    CAS Google Scholar 

  56. Jain, A. et al. Materialeprojektet: en materialegenomtilgang til at accelerere materialeinnovation. APL Mater . 1 , 011002 (2013).

    ADS Google Scholar 

  57. Mathew, K. et al. High-throughput beregningsmæssig røntgenabsorptionsspektroskopi. Sci. Data 5 , 180151 (2018).

    CAS PubMed PubMed Central Google Scholar 

  58. Ong, SP et al. Python Materials Genomics (pymatgen): et robust, open source Python-bibliotek til materialeanalyse. Comput. Mater. Sci . 68 , 314-319 (2013).

    CAS Google Scholar 

  59. Cho, D.-Y., Jung, H.-S. & Hwang, CS Strukturelle egenskaber og elektronisk struktur af HfO 2 -ZrO 2 kompositfilm. Phys. Rev. B 82 , 094104 (2010).

    ADS Google Scholar 

  60. Wu, M. et al. Belastning og sammensætning afhængighed af orbital polarisation i nikkeloxid supergitter. Phys. Rev. B 88 , 125124 (2013).

    ADS Google Scholar 

  61. de Groot, F. et al. Ilt 1 s Røntgenabsorptionskanter af overgangsmetaloxider. Phys. Rev. B 40 , 5715-5723 (1989).

    ADS Google Scholar 

  62. de Groot, F. Multiplet-effekter i røntgenspektroskopi. Coord. Chem. Rev. _ 249 , 31-63 (2005).

    Google Scholar 

  63. Cohen, RE Oprindelsen af ​​ferroelektricitet i perovskitoxider. Nature 358 , 136-138 (1992).

    ADS CAS Google Scholar 

  64. Pesquera, D. et al. Overfladesymmetri-brydende og belastningseffekter på orbital belægning i overgangsmetal perovskit epitaksiale film. Nat. Commun . 3 , 1189 (2012).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  65. Denev, SA, Lummen, TTA, Barnes, E., Kumar, A. & Gopalan, V. Sondering af ferroelektrik ved hjælp af optisk anden harmonisk generation. J. Am. Ceram. Soc . 94 , 2699-2727 (2011).

    CAS Google Scholar 

  66. Bersuker, G. & Gilmer, D. Metaloxidresistiv RRAM-teknologi (Random-Access Memory). In Advances in Non-Volatil Memory and Storage Technology 288–340 (Elsevier, 2014).

  67. Chanthbouala, A. et al. Solid-state hukommelser baseret på ferroelektriske tunnelforbindelser. Nat. Nanoteknologi . 7 , 101-104 (2012).

    ADS CAS Google Scholar 

  68. Gruverman, A. et al. Tunnelerende elektromodstandseffekt i ferroelektriske tunnelforbindelser på nanoskala. Nano Lett . 9 , 3539-3543 (2009).

    ADS CAS PubMed Google Scholar 

  69. Müller, J. et al. Ferroelektricitet i simpel binær ZrO 2 og HfO 2 . Nano Lett . 12 , 4318-4323 (2012).

    ADS PubMed Google Scholar 

  70. Park, MH et al. Overflade- og korngrænseenergi som nøglen til ferroelektricitet i nanoskala hafnia-zirconia: en sammenligning af model og eksperiment. Nanoskala 9 , 9973-9986 (2017).

    CAS PubMed Google Scholar 

  71. Fujii, S. et al. Første demonstration og ydelsesforbedring af ferroelektrisk HfO 2 -baseret resistiv switch med lav driftsstrøm og iboende diodeegenskaber. I 2016 IEEE Symposium on VLSI Technology 1–2 (IEEE, 2016).

  72. Max, B., Hoffmann, M., Slesazeck, S. & Mikolajick, T. Ferroelektriske tunnelforbindelser baseret på ferroelektrisk-dielektriske Hf 0,5 Zr 0,5 O2/Al 2 O 3 kondensatorstabler. I 2018 48th European Solid-State Device Research Conference (ESSDERC) 142–145 (IEEE, 2018).

Download referencer

Anerkendelser

Denne forskning blev delvist støttet af Berkeley Center for Negative Capacitance Transistors (BCNCT), ASCENT (Applications and Systems-Driven Center for Energy-Efficient Integrated NanoTechnologies), et af de seks centre i JUMP-initiativet (Joint University Microelectronics Program), et SRC-program (Semiconductor Research Corporation) sponsoreret af DARPA, DARPA T-MUSIC-programmet (Technologies for Mixed-mode Ultra Scaled Integrated Circuits) og UC MRPI-projektet (University of California Multicampus Research Programs and Initiatives). Denne forskning brugte ressourcer fra Advanced Photon Source, et US Department of Energy (DOE) Office of Science User Facility, der drives for DOE Office of Science af Argonne National Laboratory under kontraktnummer DE-AC02-06CH11357. Denne forskning brugte ressourcer fra Advanced Light Source, som er en DOE Office of Science brugerfacilitet under kontraktnummer DE-AC02-05CH11231. Brug af Stanford Synchrotron Radiation Light source, SLAC National Accelerator Laboratory, understøttes af US DOE, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences under kontraktnummer DE-AC02-76SF00515. Elektronmikroskopi blev udført på Molecular Foundry, LBNL, støttet af Office of Science, Office of Basic Energy Sciences, US DOE (DE-AC02-05CH11231). JC og RdR anerkender yderligere støtte fra Presidential Early Career Award for Scientists and Engineers (PECASE) gennem US DOE. JX og XZ anerkender støtte fra National Science Foundation (NSF) under bevilling 1753380 og King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) Office of Sponsored Research Award OSR-2016-CRG5-2996.

Forfatteroplysninger

Forfatterens noter

  1. Daewoong Kwon

    Nuværende adresse: Department of Electrical Engineering, Inha University, Incheon, Sydkorea

  2. Disse forfattere bidrog lige så meget: Suraj S. Cheema, Daewoong Kwon

Forfattere og tilknytninger

  1. Department of Materials Science and Engineering, University of California, Berkeley, CA, USA

    Suraj S. Cheema, Nirmaan Shanker, Adhiraj Datar, Li-Chen Wang, Vishal Thakare & Ramamoorthy Ramesh

  2. Institut for Elektroteknik og Computervidenskab, University of California, Berkeley, CA, USA

    Daewoong Kwon, Nirmaan Shanker, Adhiraj Datar, Claudy R. Serrao, Ajay K. Yadav, Golnaz Karbasian, Cheng-Hsiang Hsu, Ava J. Tan, Chenming Hu & Sayeef Salahuddin

  3. Nationalt Center for Elektronmikroskopi, Molecular Foundry, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA

    Roberto dos Reis, Shang-Lin Hsu & Jim Ciston

  4. Nanoscale Science and Engineering Center, University of California, Berkeley, CA, USA

    juni Xiao og Xiang Zhang

  5. Asylforskning, Oxford Instruments, Santa Barbara, CA, USA

    Haigang Zhang, Ryan Wagner og Roger Proksch

  6. Institut for Fysik, University of California, Berkeley, Berkeley, CA, USA

    Margaret R. McCarter & Ramamoorthy Ramesh

  7. Materials Sciences Division, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA

    Shang-Lin Hsu & Sayeef Salahuddin

  8. Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, SLAC National Accelerator Laboratory, Menlo Park, CA, USA

    Apurva Mehta

  9. Advanced Photon Source, Argonne National Laboratory, Argonne, IL, USA

    Evguenia Karapetrova

  10. Advanced Light Source, Lawrence Berkeley National Laboratory, Berkeley, CA, USA

    Rajesh V Chopdekar, Padraic Shafer & Elke Arenholz

  11. Cornell High Energy Synchrotron Source, Cornell University, Ithaca, NY, USA

    Elke Arenholz

Bidrag

Filmsyntese blev udført af SSC, GK og DK Enhedsfabrikation blev udført af DK Elektronmikroskopi blev udført af RdR og S.-LH under supervision af henholdsvis JC og RR, og analyse blev udført af L.-CW under supervision af SS Scanning probe mikroskopi blev udført af SSC og NS IDS målinger blev udført og udviklet af RW og RP SCM blev udført ved HZ røntgen strukturel karakterisering blev udført af SSC, NS og MRM under tilsyn af AM og EK røntgen spektroskopi og mikroskopi blev udført af SSC under tilsyn af RVC, PS og EA Anden harmonisk generering blev udført af JX under tilsyn af XZ Elektriske målinger blev udført af SSC, NS og ADSSC og SS skrev sammen manuskriptet. SS overvågede forskningen.

Tilsvarende forfattere

Korrespondance til Suraj S. Cheema eller Sayeef Salahuddin .

Etiske erklæringer

Konkurrerende interesser

Forfatterne erklærer ingen konkurrerende interesser.

Yderligere Information

Udgiverens note Springer Nature forbliver neutral med hensyn til jurisdiktionskrav i offentliggjorte kort og institutionelle tilknytninger.

Udvidede datafigurer og tabeller

 

Udvidede data Fig. 1 Størrelseseffekter i ferroelektrik med fluorit- og perovskitstruktur.

a , I perovskit ferroelektrik kan den polære 'tetragonale' forvrængning ( c / a ) repræsenteres som centerkationforskydningen i forhold til dets omgivende oxygenoktaeder. b , I ferroelektrik med fluoritstruktur, den polære 'rhombiske' forvrængning (2 c /( a  +  b)) kan repræsenteres som den centrale anionforskydning i forhold til dets omgivende kationtetraeder; i den upolære T-fase ligger oxygenatomet (blåt) i det polyedriske centrum af tetraederet. Udviklingen af ​​den bulkstabile M-fase til den højsymmetriske T-fase og polære O-fase i fluoritstrukturstrukturen illustrerer rollen af ​​størrelseseffekter (overfladeenergier favoriserer højere symmetri) og indeslutningsbelastning (forvrængninger favoriserer lavere symmetri) ) om stabilisering af inversionsasymmetri. Overfladeenergier er kritiske, når man overvejer betydningen af ​​størrelseseffekter på ferroelektricitet; faser med højere symmetri er energetisk gunstige ved reducerede dimensioner på grund af lavere enhedscellevolumener. I fluoritstrukturer (perovskiter), den ikke-centrosymmetriske O-fase (T-fase) har højere (lavere) symmetri end den bulk-stabile centrosymmetriske M-fase (C-fase). Som følge heraf hjælper overfladeenergier med at modvirke depolarisationsfelter i fluorit-struktur ferroelektrik – allerede formindsket i fluorit strukturer i forhold til perovskites på grund af dens lavere dielektricitetskonstant4 —i det ultratynde regime. Derfor kan både indre (overfladeenergier) og ydre (indeslutningsbelastning) mekanismer favorisere ultratynd inversionssymmetribrud i fluoritstrukturer. I mellemtiden har både overflade- og depolarisationsenergier tendens til at destabilisere inversionsasymmetri i perovskit-ferroelektrik, mens epitaksial belastning kan stabilisere symmetri-sænkende polære forvrængninger 36 .

Udvidede data Fig. 2 Tykkelsesverifikation af ultratynde HZO-film fra XRR.

a , Laboratorie-diffraktometer XRR af HZO-tykkelsesserien, der viser klare kanter til tykkelsesekstraktion til stede ned til 20-cyklus HZO. b , Synchrotron XRR af ultratynde HZO-film, der muliggør tykkelsestilpasningsanalyse for sub-20-cyklus film. c , HZO-tykkelse som funktion af ALD-cyklusser, som bestemt ved tilpasningsanalyse fra XRR. Væksthastigheden er omkring 11 cyklusser nm -1 , verificeret på tværs af 10-100 ALD cyklus film. Kvadrater (cirkler) repræsenterer tykkelser udtrukket fra tilpasning til synkrotron (laboratorie diffraktometer) XRR målinger.

Udvidede data Fig. 3 Tykkelsesverifikation af ultratynde HZO-film ved brug af TEM.

a , HZO-tykkelse som en funktion af ALD-cyklusser, som bestemt ved Si-atomgitterkalibrering fra TEM-billeddannelse. Væksthastigheden er ~ 11 cyklusser nm -1 , verificeret på tværs af 10-50 ALD cyklus film, i overensstemmelse med XRR (Udvidet Data Fig. 2 ). De røde fejlbjælker afspejler 2 σ variation. b , Tværsnit ADF STEM billede af 20 cyklusser HZO. c – e , TEM-billeder i tværsnit af ti-cyklus HZO ( c ), 15-cyklus HZO ( d ) og 40-cyklus HZO ( e ). f – h , Bredt synsfelt TEM-billeder af ti-cyklus HZO ( f ), 15-cyklus HZO (g ) og 40-cyklus HZO ( h ) for at give et perspektiv af heterostrukturens ensartethed. Si-substratet er orienteret langs [110]-zoneaksen for alle TEM-billeder.

Udvidede data Fig. 4 Fremkomsten af ​​film med høj tekstur i det ultratynde regime.

a , Synchrotron GI-XRD scanninger ( λ  = 0,775 Å) af HZO tykkelse serie endedele: 10-cyklus og 100-cyklus. 100-cyklus HZO-filmen er indekseret i henhold til den polære orthorhombiske fase Pca 2 1 . Mange af de polykrystallinske refleksioner, især (111), er ikke længere til stede med en mærkbar intensitet i den ultratynde grænse på grund af de geometriske begrænsninger af endimensionelle spektre (ude af stand til at sondere alle refleksioner, der er til stede i højt orienterede film) ( metoder ) . I stedet bruges tilted-geometri diffraktion (polfigurer) for at få adgang til de orienterede refleksioner. b , polfigur af ti-cyklus HZO, taget ved en Q xskive svarende til film (111) gitterafstand. Den radiale retning repræsenterer χ , mens azimutretningen repræsenterer φ (0°-360° område). Tilstedeværelsen af ​​fire intense toppe svarende til de fire (111)-projektioner indikerer den meget teksturerede natur af den ultratynde HZO-film. De fire Si (111)-fremspring ville forventes ved φ  = 45° væk fra Q x ,y -hovedakserne ved en mindre værdi af Qz . c, Skematisk af (311) (venstre) og (111) (højre) tætpakkede planer i fluoritstrukturstrukturen. Alle kationsteder ligger på sådanne planer, hvilket minimerer overfladeenergieffekter, fordi kun metal-ilt dinglende bindinger er til stede uden for planet. Vi bemærker, at alle skemaer afspejler stabling af de respektive planer til en total tykkelse på 1 nm, selvom ultratynde HZO-film muligvis ikke udviser en sådan stabling gennem hele filmen. For ti-cyklusfilm er {311}-indeksering i overensstemmelse med den relevante intensitet (ca. 30°) observeret i det ud-af-planet endimensionelle GI-XRD-mønster ( a ), og (111) refleksioner er til stede fra todimensionelt polfigurmønster ( b ).

Udvidede data Fig. 5 Inversionssymmetribrud i ultratynd HZO via SHG.

a , Skematisk af SHG-eksperimentelle opsætning, ved hjælp af en 960-nm pumpe og SHG-intensitet detekteret omkring 480 nm under tilt-incidens, som er følsom over for polarisering uden for planet ( metoder ). NIR, nær-infrarød; 1D, endimensional; PBS, polariseret stråledeler; Obj, objektiv; LP, BP og SP repræsenterer langpas-, båndpas- og kortpasfiltre; DMSP, dikroisk kortpasspejl; M1, M2 og M3 refererer til spejle; OPO, optisk parametrisk oscillator. b , Skematisk over de ti-cyklus HZO-øer undersøgt af SHG ( metoder ); mikrometerstore øer muliggjorde identifikation af specifikke HZO-regioner enten polet med et elektrisk felt (påført af en PFM-spids) eller efterladt som den er. Til disse eksperimenter stærkt dopet (10 19 cm -3) p-type Si-substrater (p ++ Si) bruges til at tjene som bundelektroden. c , SHG-spektrum på en ti-cyklus HZO-film, der sammenligner polet versus upolet SHG-intensitet. Spontan polarisering demonstreres ved tilstedeværelsen af ​​SHG – kun tilladt for inversionsasymmetriske systemer – i upolet ti-cyklus HZO. Dette stemmer overens med PFM-fasekontrast i upolede HZO-områder (fig. 2c), hvilket indikerer eliminering af "wake-up"-effekterne for ferroelektricitet i ultratynd HZO. Den forbedrede SHG-kontrast i polede film – muligvis på grund af det elektriske felt, der konverterer en lille del af filmen til den polære fase eller justerer polære domæner – indikerer, at mekanismen bag SHG-kontrasten er felt-tunerbar. Denne feltforstærkede SHG er i overensstemmelse med ferroelektrisk oprindelse og ville sandsynligvis eliminere SHG-kontrast fra overfladeeffekter.

Udvidede data Fig. 6 Rolle af ultratynd indeslutning til polær fasestabilisering.

a , b , Skematisk struktur (venstre) undersøgt af PFM (spidsplacering angivet med pile), topografi (midten) og PFM-fasekontrastbilleder (højre) på ti-cyklus HZO i et område, der var uafgrænset ( a ) versus begrænset ( b ) ved W (repræsenteret ved 'M' for metal i skemaet) under faseudglødning. Robust 180° fasekontrast er kun til stede for den begrænsede HZO. c , fase (venstre) og amplitude (højre) switching spektroskopi sløjfer ( V dc = 0, 'OFF'-tilstand) som en funktion af forspænding på ti-cyklus HZO-film, hvilket viser den kritiske rolle af indeslutning under faseudglødning i stabilisering af ferroelektricitet i ultratynd HZO. 180° fasekontrast og sommerfugleformet amplitude er kun til stede for begrænset HZO. Derfor illustrerer både switching-spektroskopi PFM og PFM billeddannelse den kritiske rolle af indeslutning under faseudglødning for at stabilisere den ferroelektriske fase. For PFM-billederne blev ±7 V påført i et 'boks-i-boks' poleringsmønster direkte på HZO-overfladen, og switching-spektroskopi PFM-løkker blev målt på kondensatorstrukturer ( metoder ). dSkematisk struktur (venstre) undersøgt af PFM (spidsplacering angivet med pile) og PFM fase- og amplitudehysterese-løkker (højre) som funktion af forspænding på 100-cyklus HZO i et område, der var begrænset af W under faseudglødning. Tykkere 100-cyklus HZO demonstrerer også ferroelektrisk adfærd.

Udvidede data Fig. 7 Eliminering af artefakter fra scanningprobemikroskopi.

a , Topografi og PFM fasekontrastbilleder for ti-cyklus HZO, som ikke (venstre) og (højre) undergik udglødning efter ALD-aflejring. Den terrasserede topografi i den ikke-udglødede film indikerer, at den svage fasekontrast fejlagtigt er forårsaget af feltinducerede topografiske ændringer. Dette er i overensstemmelse med ladningsinjektion eller ionmigrering, som plager amorfe HfO 2 – film 25 . Fase-annealede film viser ikke sådanne felt-inducerede topografiske forvrængninger, men demonstrerer meget klarere fasekontrast, hvilket indikerer oprindelsen af ​​PFM-fasekontrast i krystallinske HZO-film er anderledes end amorfe HZO-film. På de viste billeder blev ±7 V påført i en "boks-i-boks" poleringssekvens. b, Tidsafhængige PFM-fasekontrastbilleder på en ti-cyklus HZO-film over en 24-timers periode. På de viste billeder blev der påført ±7 V i det angivne skakternet poleringsmønster. c , Sammenbrud af PFM-løkken fra V ac – serien. Skematisk kondensatorstruktur undersøgt af PFM (øverst) og piezorespons som funktion af V ac i tilstanden 'OFF' ( Vdc =  0) (nederst), hvilket demonstrerer sammenbruddet af PFM-sløjfen, når Vac nærmer sig tvangsspændingen . Dette giver yderligere bekræftelse af den ferroelektriske oprindelse af PFM-signalet i modsætning til tip-bias-inducerede mekanismer 46. Den ikke-ideelle form af piezoresponssløjferne, især ved højere spændinger, er sandsynligvis forårsaget af ikke-ferroelektriske bidrag fra det yderligere dielektriske SiO2- lag , gennem hvilket det meste af spændingen falder ( metoder ). d , IDS switching-spektroskopi-målinger på ti-cyklus (1 nm) HZO, der demonstrerer hysterese for PFM-spidsen på overfladen (øverst) versus ingen hysterese for spidsen uden for overfladen (nederst). Sløjferne på overfladen indikerer 180° fasehysterese og sommerfugleformet d33 , hvilket indikerer ferroelektrisk opførsel. IDS PFM-målinger ( metoder ) fjerner langrækkende elektrostatik og cantilever-resonansartefakter, der plager typisk spændingsmoduleret PFM-switch-spektroskopi26 . Denne ferroelektriske oprindelse af hysteresen understøttes yderligere af ikke-hysteretiske sløjfer 26 uden for overfladen , som sonderer elektrostatiske bidrag.

Udvidede data Fig. 8 Højfrekvent kapacitanskarakterisering af ultratynd HZO.

a , Skematisk heterostruktur af ultratynd HZO på metallisk TiN undersøgte mikrobølgekapacitansmålingerne for at eliminere bidrag fra det halvledende Si-substrat. b , PFM-fasekontrast (venstre) og topografi (højre) billeddannelse i 10 cyklusser HZO på TiN-pufret Si. Ultratynd ferroelektricitet fortsætter oven på metalliske underlag såvel som dielektrisk SiO 2 , selvom topografien er mere ru end filmene på SiO 2 på grund af inhomogeniteten introduceret af det sputterede TiN. c , SCM d C –d V spektroskopi-løkker taget på flere nøgne områder af en ultratynd ti-cyklus HZO-film, der viser reproducerbar SCM-respons. Den firkantede 180° fasehysterese og d C/d V -løkker, som integreres i det klassiske sommerfugleformede kapacitans-spændingsplot (fig. 2c ), giver afgørende bevis på ferroelektrisk polariseringsskift ud over PFM-løkker (fig. 2e , udvidede data fig. 6 ). Mikrobølgefrekvenskarakteren af ​​SCM muliggør lækage-dæmpede differentiel kapacitansmålinger af ultratynde film ( metoder ). d , PFM switching-spectroscopy loops taget på det samme område af ti-cyklus HZO som SCM-målingerne, hvilket bekræfter den ferroelektrisk-lignende fase og amplitudehysterese. Vi bemærker, at SCM og PFM switching spektroskopi blev udført ved hjælp af Asylum Cypher scanning probe mikroskop ved Asylum Research ( Methods).

Udvidede data Fig. 9 Ultratynde-forstærkede forvrængninger og polære signaturer fra spektroskopi.

a , Krystalfeltopdelingsdiagram for strukturelle polymorfer med fluoritstruktur; symmetri-induceret e – splitting giver en spektroskopisk signatur for den polære O-fase ( metoder ). b , Afgrænsning af symmetri-splittede energiregimer i oxygen K – kant XAS. Ligesom konvergent stråleelektrondiffraktion giver signaturer til at demonstrere inversionssymmetribrud 49 , giver XAS spektroskopiske signaturer til at skelne mellem de ikke-polære tetragonale og polære ortorhombiske polymorfer (svære at opløse fra GI-XRD). Venstre, simuleret XAS-spektrum for tetragonal ZrO 2 ( P 4 2 / nmc) og højre, polær ortorombisk ZrO 2 ( Pca 2 1 ), begge med tilladelse fra Materials Project 56 , 57 . Baggrundsfarveskyggerne angiver symmetri-split-regimerne, der er forklaret i krystalfeltopdelingsdiagrammet. c , Eksperimentelle XAS-data på ultratynd HZO viser lignende spektroskopiske XAS-træk som den simulerede polære O-fase ( Pca 2 1 ) – nemlig relativ e / t 2 spektral vægt og spaltninger svarende til tetraedrisk (∆ T ) og rhombisk (∆ R ) forvrængninger. Til venstre, XAS fra HZO-tykkelsesserien ved O K-kant, der zoomer ind på e – og t 2 -regimerne. Højre, O K- kant spektral vægttendenser som funktion af HZO tykkelse. De relative spektralvægte fra t 2 / e og e -split-regimerne indikerer forbedrede tetraedriske (∆ T ) og rhombiske forvrængninger (∆ R ) i henholdsvis ultratynde film, i overensstemmelse med C 2 v symmetri af den polære O-fase. d, Skematisk repræsentation af kation-nærmeste-nabo-koordinationen falder fra NN = 8 (T-fase) til NN = 7 (polær O-fase), når krystalsymmetrien sænkes. Forstyrrelsen i oxygenpolyhedrisk koordination (bemærk de forskellige oxygenatomer angivet med de blå og cyanatomer i den polære O-fase) manifesterer sig som spektralvægt i pre-edge regimet 62 . e , Den eksperimentelle præ-kantspektrale vægt som funktion af tykkelse, hvilket indikerer ultratynd-forstærket polyedrisk lidelse. f , Top: PEEM-XLD billeder af ti-cyklus (1 nm) HZO ved OK- kanten . Forkantbilleder (venstre) udviser ingen XLD-kontrast, mens billeder på kant (højre) – ved den energi, der svarer til den polære forvrængning split e-regime – demonstrer XLD-kontrast. Dette tyder på, at XLD faktisk er følsom over for polære træk i ultratynd meget tekstureret HZO. Nederste linjeprofil af XLD-intensiteten, der viser væsentlige variationer i on-edge XLD-data sammenlignet med støj for pre-edge XLD. g , Krystalfeltsspaltningsenergier i HZO-relaterede overgangsmetaloxidsystemer. Materialesystemet, det primære krystalelektriske felt (∆ 1 ), det sekundære krystalelektriske felt (∆ 2 ), og strukturen for forskellige systemer relateret til HZO og perovskit ferroelektrik er vist, hvor ∆ O , ∆ t , ∆ T og ∆ Rsvarer til henholdsvis octaedral, tetragonal, tetrahedral og rhombic crystal electric field (CEF). Referencekrystal-elektriske feltværdier er taget fra Materials Project-databasen 57 (referencekoder angivet med 'mp'), og de eksperimentelle værdier udvindes via XAS energiopdelte funktioner ( b ). De store tetraedriske (∆ T ) og rombiske (∆ R ) krystalfeltspalteenergier, der er til stede i ti-cyklus HZO-film, er meget større end forventede værdier for den polære fluorit-struktur ZrO 2 ( b )), som fremhæver den forbedrede forvrængning, der er til stede i ultratynde film, der er udsat for indeslutningsbelastning, og er i overensstemmelse med unormalt store strukturelle forvrængninger ekstraheret fra diffraktion (fig. 3g ).

Udvidede data Fig. 10 Ultratynd HZO ferroelektrisk tunnelforbindelse.

a , c , Tunnelstrøm–spændingskarakterisering af Si(p ++ )/SiO 2 (1 nm)/HZO( ~ 1 nm)/W kondensatorenheder – demonstreret for ti-cyklus HZO med Hf:Zr sammensætning 4:1 ( a ) og 1:1 ( c ) – som en funktion af skriveimpulsen (for at indstille den ferroelektriske polarisationstilstand). Tunneling af elektromodstandsadfærd er demonstreret for ±2 V skrive og 100 mV læsning. Indsæt, lineær skala strøm-spænding karakteristika for de to polarisationsdrevne strømtilstande. b , d , Tunneling elektromodstandshysteresekort som funktion af skrivespænding (demonstreret for ti-cyklus HZO med Hf:Zr-sammensætning 4:1 ( b ) og 1:1 (d )) målt ved 200 mV læsespænding. Den pludselige hysteretiske adfærd og mættende tunneling-elektromodstand er karakteristisk for polarisationsdrevet omskiftning 67 i modsætning til filamentært-baseret omskiftning forårsaget af elektrokemisk migration og/eller ilttomgangsbevægelse ( metoder ). e , Strømspændingshysterese udelukker ikke-polarisationsdrevne resistive koblingsmekanismer ( Metoder). Enheden demonstrerer strøm-spændingshysterese ved lavspænding og spændingspolaritetsuafhængig strøm-spændingshysteresefølelse: både negativ-positiv-negativ spændingspolaritet (venstre) og positiv-negativ-positiv spændingspolaritet (højre) viser hysterese mod uret. En sådan adfærd udelukker resistiv omskiftning medieret af dielektrisk nedbrydning og filamentære mekanismer 66 og er i overensstemmelse med polarisationsdrevet omskiftning.

Kilde (6.maj 2020)

https://www.nature.com/articles/s41586-020-2208-x

 

Pin0LinkedIn0Print0Yummly0
Category: Uncategorized

Leave a Reply