Piezoelectric Response of Polycrystalline Silicon‐Doped Hafnium Oxide Thin Films Determined by Rapid Temperature Cycles

材料科学 热电性 压电 铁电性 压电系数 光电子学 基质(水族馆) 热膨胀 复合材料 海洋学 电介质 地质学
作者
Clemens Mart,Thomas Kämpfe,Raik Hoffmann,Sophia Eßlinger,S. Kirbach,Kati Kühnel,M. Czernohorsky,Lukas M. Eng,Wenke Weinreich
出处
期刊:Advanced electronic materials [Wiley]
卷期号:6 (3) 被引量:35
标识
DOI:10.1002/aelm.201901015
摘要

Abstract The in‐plane piezoelectric response of 20 nm thick Si‐doped HfO 2 is examined by exploiting thermal expansion of the substrate upon rapid temperature cycling. The sample is heated locally by a deposited metal film, and the subsequently registered pyroelectric current is found to be frequency dependent in the observed range of 5 Hz to 35 kHz. While the intrinsic response remains constant, the secondary contribution can be switched off in the high‐frequency limit due to substrate clamping. As this secondary response is generated by thermal expansion and the piezoelectric effect, this allows for extraction of the corresponding in‐plane response. By comparing pyroelectric measurements in low‐ and high‐frequency limits, a piezoelectric coefficient d 31 of −11.5 pm V −1 is obtained, which is more than five times larger than that of AlN. The magnitude of piezoelectric response increases upon electric field cycling, which is associated with a transition from antiferroelectric‐like behavior to a purely ferroelectric polarization hysteresis. The hafnium oxide material system is proposed as a promising candidate for future CMOS compatible piezoelectric micro‐ and nano‐electromechanical systems (MEMS and NEMS).
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