Ferroelektriska material har tillämpningar i nästa generations elektroniska enheter från optoelektroniska modulatorer och slumpmässigt åtkomstminne till piezoelektriska givare och tunnelkorsningar. Nu rapporterar forskare vid Tokyo Institute of Technology insikter om egenskaperna hos epitaxiala hafniumoxidbaserade (HfO2-baserade) tunna filmer, bekräftar en stabil ferroelektrisk fas upp till 450 ° C. Som de påpekar, "Denna temperatur är tillräckligt hög för att HfO2-baserade ferroelektriska material ska kunna användas vid stabil enhetsdrift och bearbetning, eftersom denna temperatur är jämförbar med andra konventionella ferroelektriska material."

Rapporter om ferroelektriska egenskaper i tunna filmer av substituerad hafniumoxid - där vissa joner ersattes med andra metaller - har väckt särskilt intresse eftersom dessa filmer redan används inom elektronik och är kompatibla med de kiseltillverkningstekniker som dominerar industrin. Men försök att studera kristallstrukturen för HfO2-baserade tunna filmer i detalj för att förstå dessa ferroelektriska egenskaper har mött utmaningar på grund av de polykristallina filmens slumpmässiga orientering.

För att få tunna filmer med en väldefinierad kristallorientering, Takao Shimizu, Hiroshi Funakubo och kollegor vid Tokyo Institute of Technology vände sig till en tillväxtstrategi som inte hade prövats med HfO2 -baserade material tidigare - epitaxiell filmtillväxt. De använde sedan en rad karaktäriseringstekniker-inklusive röntgendiffraktionsanalys och ömsesidig rymdkartläggning för att identifiera förändringar i kristallstrukturen när yttriumhalten ökade. De fann en förändring från en låg- till en högsymmetrifas via en interim ortorhombisk fas med ökande yttrium från -15 % substituerad yttriumoxid.

Ytterligare studier bekräftade att denna ortorhombiska fas är ferroelektrisk och stabil för temperaturer upp till 450 ° C. De drar slutsatsen, "De nuvarande resultaten hjälper till att klargöra karaktären på ferroelektricitet i HfO2-baserade ferroelektriska material och även dess möjliga tillämpning i olika enheter."

Bakgrund

Hafniumoxid tunna filmer

Den dielektriska konstanten (hög-κ) för HfO2 har tidigare väckt intresse för användning i elektronikkomponenter såsom dynamiska slumpmässiga åtkomstminne (DRAM) -kondensatorer och används redan för höghastighetsgrindar i enheter. Som ett resultat är dess kompatibilitet med CMOS -bearbetningen som dominerar nuvarande elektroniktillverkning redan känd.

Ferroelektriska egenskaper har rapporterats i HfO2 -tunna filmer med några hafniumjoner substituerade med olika typer av joner inklusive yttrium, aluminium och lantan, samt kisel och zirkonium. Forskarna studerade HfO2 -filmer ersatta med yttriumoxiden YO1.5 eftersom ferroelektriska egenskaper redan har rapporterats i filmer av detta material.

Epitaxial tillväxt

Väldefinierad kristallorientering med avseende på substratet kan erhållas i epitaxiellt odlade filmer men processen kräver vanligtvis höga temperaturer. På grund av tendensen att brytas ned i icke-ferroelektriska faser bereds HfO2 vanligtvis genom kristallisation av amorfa filmer. Forskarna använde pulserad laseravsättning för att förbereda epitaxiellt odlade HfO2-baserade filmer utan att förstöra den ferroelektriska fasen. Filmerna odlades på yttriastabiliserad zirkoniumoxid och var cirka 20 nm tjocka.

Kristallfaser och karakterisering

HfO2 existerar i en stabil lågsymmetri monoklinisk fas, där strukturen liknar rektangulärt prisma med en parallellogrambas. Denna struktur ändras till en kubisk eller tetragonal strukturerad fas med hög symmetri genom en metastabil ortorhombisk fas.

Monoklinisk, kubiska och tetragonala kristallina strukturer har inversions galopp, som utesluter ferroelektriska egenskaper. Därför fokuserade forskarna på orthorhombic. Samexistensen mellan flera faser i HfO2 komplicerar ytterligare studier av kristallstruktur, vilket gör det ännu mer önskvärt att erhålla filmer med väldefinierade kristallorienteringar. Innan det pågående arbetet var det fortfarande oklart om epitaxiell tillväxt av HfO2-baserade filmer var möjlig.

Tidigare arbete hade använt transmissionselektronmikroskopi och samtidig konvergent stråldelektrodiffraktion för att bekräfta förekomsten av ortorhombisk fas, men mer detaljerad analys av den kristallina strukturen visade sig vara svår på grund av den slumpmässiga polykristallina orienteringen.

Med de epitaxiellt odlade tunna filmerna kunde forskarna använda röntgendiffraktionsanalyser och ömsesidiga mätningar av rymdkartläggning för att identifiera den ortorhombiska fasen. De använde sedan aberrationskorrigerade ringformiga ljusfält och högvinkliga ringformiga mörka fältskanningsöverföringselektronmikroskop för att bekräfta att den ortorhombiska fasen var ferroelektrisk.